2004年，在世界杯短池賽俄羅斯站200米混合泳中，劉子歌獲得金牌。同年，隨著教練金煒轉會到上海，成為上海寶山體育局寶山游泳學校的一名學生。?

2005年，劉子歌進入上海游泳隊。?

2007年，進入中國國家隊。

2008年4月，在全國游泳冠軍賽暨奧運會選拔賽中獲得女子200米蝶泳冠軍，并取得北京奧運會參賽資格；8月14日，劉子歌在北京奧運會女子200蝶泳比賽中，以2分04秒18獲得金牌，并打破了世界紀錄。

2009年4月，在全國游泳冠軍賽200米蝶泳獲得銀牌，7月，在羅馬世錦賽獲得200蝶泳亞軍，10月，在十一運會上，以56秒07獲得100米蝶泳冠軍，并打破亞洲紀錄；以2分01秒81獲得200米蝶泳冠軍，超過了澳大利亞選手斯奇普保持的2分03秒41的世界紀錄；還與隊友合作獲得女子4×100米混合泳金牌。11月，在世界杯短池游泳系列賽斯德哥爾摩站，以2分02秒50獲得金牌，并打破了世界紀錄。在國際泳聯(lián)短池游泳世界杯賽柏林站，獲得女子200米蝶泳冠軍，以2分00秒78打破世界紀錄。同年12月，獲得第五屆東亞運動會女子200米蝶泳金牌、亞洲游泳錦標賽女子200米蝶泳金牌。2010年2月，在短池游泳世錦賽女子200米蝶泳決賽中，劉子歌開始150米一路領先，但后勁不足，最終以2分04秒78僅列第五。在女子4×100米混合泳接力中，與隊友合作獲得金牌。

2011年4月，在全國游泳冠軍賽，獲得女子50米蝶泳第五名、100米蝶泳冠軍、200米蝶泳冠軍。同年11月，在短池世界杯北京站女子100米蝶泳獲得第四名、女子200米蝶泳第四名。同年8月，在倫敦奧運會女子200米蝶泳僅獲得第八名。同年11月，短池游泳世界杯系列賽北京站獲得女子100米蝶泳第五名、女子200米蝶泳第三名；同年12月，世界短池游泳錦標賽獲得女子100米蝶泳獲得第二名、女子200米蝶泳第四名。

2013年，全國游泳冠軍賽女子200米蝶泳獲得第二名；同年8月，世界游泳錦標賽女子200米蝶泳獲得冠軍。