无缘悉尼奥运会，没有阻碍张怡宁在战绩上的进步。2001年在芜湖举行的乒乓球世界杯，张怡宁在队友王楠退赛，李菊出局的情况下，于决赛中击败朝鲜选手金英姬，夺得第一个单打世界冠军头衔。2002年釜山亚运会，张怡宁夺得女单冠军，为整体表现低迷的中国乒乓球队少有的亮点。2004年雅典奥运会，张怡宁在队友牛剑锋、王楠先后出局后，顶着巨大压力杀入决赛，随后以4：0横扫朝鲜的黑马选手金香美。并成为奥运会乒乓球比赛历史上，第四位女子单打冠军。同时，她还和王楠合作，夺得女双冠军。2005年上海世乒赛，张怡宁在女单决赛上4：2击败郭焱，成为了继邓亚萍、王楠之后，第三位实现大满贯的女子乒乓球运动员。同年的十运会上，张怡宁连夺女单与女团冠军。