Liu Xiang établit un parcours quasi sans-faute en début de saison 2004. Vainqueur de ses douze premières courses en salle, il s'incline face à Allen Johnson en finale du 60 m haies des Championnats du monde en salle d'Helsinki, établissant un nouveau record personnel en 7 s 43. Enchainant ensuite des meetings sur le continent asiatique, il prend le dessus sur l'Américain lors de la réunion d'Osaka en signant un nouveau record d'Asie en 13 s 06. Pour son premier meeting de la Golden League de la saison, à Rome, il se classe deuxième derrière Johnson en 13 s 11. Peu avant les Jeux olympiques, il égale sa meilleure performance (13 s 06) lors du meeting de Tianjin. A Athènes, le Chinois figure parmi les favoris pour ses premiers Jeux olympiques. Deuxième de sa demi-finale en 13 s 18, il remporte le la finale olympique en 12 s 91 (+0,3 m/s), égalant ainsi le record du monde de la discipline détenu par le Britannique Colin Jackson depuis le . Il devance finalement l'Américain Terrence Trammell et le champion olympique en titre cubain Anier García. Liu Xiang devient le premier sportif masculin asiatique à remporter un titre olympique en athlétisme. Affichant un bilan de 15 victoires en 17 courses, il établit quatre des dix meilleures performances de l'année 2004.