Sie gewann im Alter von nur 15 Jahren bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen im Synchronwettbewerb vom 10 m-Turm mit ihrer Partnerin Natalja Gontscharowa die Silbermedaille. Zudem gewann sie seit 2006 zahlreiche Medaillen bei Europameisterschaften, 2006 in Budapest mit Gontscharowa Silber im 10 m-Synchronspringen, 2009 in Turin Gold vom 10 m-Turm und mit Gontscharowa im 10 m-Synchronspringen, 2010 abermals in Budapest Bronze vom Turm und Silber im neu geschaffenen Teamwettbewerb sowie 2011 in Turin Silber im Einzel vom Turm und Gold mit Darja Gowor im 10 m-Synchronspringen und mit Ilja Sacharow im Teamwettbewerb. 2005 nahm Koltunowa in Montreal erstmals an einer Weltmeisterschaft teil.