2013年2月21日，李慧詩於白俄羅斯舉行的2013年世界場地單車錦標賽女子500米計時賽中12名參賽者中，排第10名出場，於首250米賽事中，她排名第3位，其後不斷追前，於後半段時間領先，結果造出33秒973的比賽時間，以0.023秒力壓德國的米丽亚姆·威尔特奪得金牌，成為香港首位女子單車比賽世界冠軍，並且得以穿上彩虹戰衣。2月23日，李慧詩於女子個人爭先賽的預賽中造出11秒070的比賽時間，在21名參賽者中排名第3位，晉級準決賽。於準決賽中，李慧詩先後擊敗澳洲的卡尔勒·麦卡洛克和史蒂芬妮·莫頓，成功晉級4強。惟在4強比賽中敗於德國的克里斯蒂娜·沃格尔，只能夠與中国的郭爽爭奪銅牌。於銅牌戰中，李慧詩狀態大勇，以2比0擊敗勁敵郭爽，成功奪得一面銅牌；成為香港歷史上首位於同屆世界賽中贏得逾一面獎牌的運動員。