10月6日国际乒联宣布重启计划赛事参赛运动员名单发生变动，中国选手朱雨玲因身体健康原因退出女子世界杯，由其队友孙颖莎替补出战。[29]10月9日在2020年全国乒乓球锦标赛女单项目决赛陈梦直落四盘击败卫冕冠军孙颖莎。[31]10月10日在2020年全国乒乓球锦标赛女双决赛，孙颖莎/王艺迪3-4不敌陈梦/王曼昱，遗憾屈居亚军。[32]10月31日首次参加于2020年11月8日在山东威海举办的女乒世界杯赛。[33]11月9日在2020国际乒联女子世界杯，孙颖莎以4：1击败波多黎各的迪亚兹晋级四强。孙颖莎半决赛将遭遇国乒最大对手、日本选手伊藤美诚。[34]11月9日上榜2020福布斯中国30岁精英榜。[37]11月10日下午在2020年国际乒联女子世界杯进行了半决赛争夺。中国选手孙颖莎12-10、11-8、11-6、10-12、4-11、11-4，总比分4-2击败伊藤美诚，闯入决赛。
[35]11月10日在2020年女子乒乓球世界杯女单决赛，孙颖莎对阵陈梦，最终陈梦4-1胜出，孙颖莎获得亚军。[36]11月29日WTT澳门国际乒乓球赛，女单决赛在孙颖莎与陈幸同之间展开，最终孙颖莎5-1胜出。进而夺得女单冠军![38]12月被体育总局授予体育运动一级奖章。[39]12月29日在乒超女团决赛中，孙颖莎效力的深圳大学队3：1战胜山东鲁能队夺得冠军，孙颖莎当选MVP，获赠汽车。
2021年3月3—13日，孙颖莎参加在卡塔尔多哈路萨尔体育馆举行的WTT常规挑战赛以及WTT球星挑战赛。
2021年5月16日，中国乒乓球协会公布东京奥运会参赛运动员名单，孙颖莎入选女子单打和女子团体名单中。
2021年5月28日，2021国乒“直通WTT大满贯·世乒赛”，在女双决赛中，孙颖莎/王曼昱以3-0(11-4/15-13/11-7)横扫刘诗雯/陈梦，夺得女双冠军。
2021年5月29日，中国乒乓球队奥运模拟赛南阳站展开混双决赛，“00后”组合王楚钦/孙颖莎经过七局鏖战，逆转击败奥运组合许昕/刘诗雯摘得冠军。
2021年7月，中国国家乒乓球队参加东京奥运代表团名单，孙颖莎在列。
2021年7月29日，东京奥运会乒乓球女单决赛结束，孙颖莎获得本届奥运银牌。
