Năm 2001, Hoàng Xuân Vinh đoạt huy chương vàng đồng đội đầu tiên tại SEA Games 21. SEA Games 22 tại Việt Nam, anh đoạt một huy chương vàng cũng nội dung đồng đội súng ngắn hơi nam. SEA Games 24 tại Thái Lan, anh đoạt hai huy chương vàng cá nhân và một huy chương vàng đồng đội ở nội dung súng ngắn 10m hơi nam và súng ngắn 25m ổ quay. Anh trở thành xạ thủ xuất sắc nhất đội bắn súng Việt Nam tại SEA Games 24 khi giành được ba huy chương vàng, dẫn đầu thành tích cá nhân.