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。