Najbardziej znaczącymi sukcesami biegaczki są cztery złote medale mistrzostw świata, które zdobyła w 2003, 2005 (dwa krążki) oraz 2007. Podczas czempionatu w Paryżu (2003) pokonała na ostatnich metrach Hiszpankę Martę Domínguez oraz Kenijkę Edith Masai. Dwa lata później Dibaba stałą się pierwszą kobietą, która wygrała podczas jednych mistrzostw świata biegi na 5000 i 10 000 metrów. Dzięki zdobyciu złota na 10 000 m w Osace zapisała się w historii jako pierwsza w historii obrończyni mistrzowskiego tytułu na tym dystansie.