Bei den Weltmeisterschaften 1999 in Sevilla wurde Dimitrowa Fünfte in 12,74 s. Im Jahr darauf schied sie bei den Olympischen Spielen in Sydney nach 12,95 s als Sechste ihres Halbfinales aus. In Edmonton bei den Weltmeisterschaften 2001 erreichte sie wieder das Finale. Hinter den beiden US-Amerikanerinnen Anjanette Kirkland in 12,42 s und Gail Devers in 12,54 s kamen Dimitrowa und die Kasachin Olga Schischigina in 12,58 s ins Ziel. Per Zielfotoentscheid erhielt Schischigina die Bronzemedaille und Dimitrowa wurde Vierte. In ihrem letzten großen Finale bei den Europameisterschaften 2002 in München strauchelte Dimitrowa und erreichte das Ziel abgeschlagen als Achte und Letzte.