Saltadora de perxa, la més destacada de tota la història de l’atletisme. En aquesta especialitat l’any 2001 baté el rècord del món júnior amb 4,47 m, i d’ençà que el 2003 baté el rècord mundial a Gateshead (Anglaterra) superà successivament la seva pròpia marca més de vint vegades.
En el Campionat del Món d’atletisme de Hèlsinki del 2005 saltà 5,01 m i es convertí en la primera atleta de l’especialitat que superava els 5 m en la categoria femenina. En els Jocs Olímpics de Pequín (juliol del 2008) superà novament aquesta marca amb un salt de 5,05 m i l’any següent establí a Zuric el seu rècord mundial final (5,06 m).
El seu palmarès inclou la medalla d’or en els Jocs Olímpics d’Atenes (2004) i de Pequín (2008), i la de bronze en els de Londres (2012); la d’or en els Campionats del Món d’atletisme del 2005, el 2007 i el 2013 (i la de bronze el 2003), i la medalla d’or en els Campionats del Món de pista coberta del 2004, 2006, 2008 i 2012.
Els anys 2004, 2005 i 2008 fou escollida atleta femenina de l’any per la Federació Internacional d’Atletisme, i el 2007 i el 2009 obtingué el premi Laureus a la millor atleta de l’any de l’Associació Atlètica Europea. El setembre del 2009 rebé el premi Príncipe de Asturias d’esports. Després del Campionat del Món de Moscou (agost del 2013) anuncià la seva retirada definitiva. El maig del 2014 revocà aquesta decisió per a competir als Jocs Olímpics de Rio de Janeiro, dels quals fou exclosa el juliol del 2016 per la Federació Internacional d’Atletisme, que acusà l’equip rus de dopatge sistemàtic i organitzat en competicions anteriors. L'agost del 2016 el Comitè Olímpic Internacional la nomenà membre de la comissió d’atletisme.