2000年，进入山东鲁能乒乓球队。2002年3月，进入国家二队；10月，获得首届世界少年挑战赛男子单打冠军。2003年1月，进入国家一队；9月，获得世界青少年巡回赛新西兰公开赛决赛冠军。2004年10月，因违反队规被退回省队。2006年11月，重回国家队。2008年，在全国锦标赛中以全胜战绩为解放军队获得男团冠军。2009年，在世界杯团体赛上获得首个世界冠军。2011年，在鹿特丹世乒赛男子单打决赛中赢得职业生涯首个世乒赛男单冠军。2012年，获得世界乒乓球团体锦标赛冠军；8月，在伦敦奥运会中获得男子单打冠军，实现了世锦赛、世界杯、奥运会三项个人冠军的大满贯。

2013年，获得巴黎世乒赛男单冠军。2014年，在仁川亚运会搭档马龙夺得男子双打冠军，在德国乒乓球世界杯中夺得第2个世界杯男单冠军。2016年8月，在里约热内卢奥运会中获得乒乓球男子单打亚军和团体冠军。2017年，在江苏无锡带伤复出获得亚洲乒乓球锦标赛男团冠军、男子单打季军；10月，他获得2017年度大本钟奖体育类（赫拉特勒斯奖）十佳华裔运动员。