2002年被競走教練孫荔安看中加入深圳市體工隊，2005年11月入選國家隊。曾在2006年世界青年田徑錦標賽的1000米競走中獲得第一名，在多哈亞運會和廣州亞運會的連續兩屆亞運會的20公里競走比賽中均獲得冠軍。2008年北京奧運會的20公里競走比賽中，劉虹獲得第四名。2009年世界田徑錦標賽獲得20公里競走的銅牌。2011年世界田徑錦標賽獲得20公里競走的銀牌。2015年6月7日，在競走挑戰賽西班牙拉科魯尼亞站女子20公里競走比賽中以1小時24分38秒打破世界紀錄。8月28日她在2015年世界田徑錦標賽上以1小時27分45秒的成績奪得女子20公里競走冠軍，這是中國選手在本屆世錦賽上收穫的首枚金牌。

2016年8月19日，劉虹以1小時28分35秒奪得里約奧運會女子20公里競走金牌。

2019年3月9日，劉虹在安徽黃山進行的2019年全國競走大獎賽第一站暨多哈田徑世錦賽50公里競走全國選拔賽中以3小時59分15秒的成績奪冠、並打破世界紀錄，成為該項目首位走進4小時大關的女運動員。
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