Dia pertama kalinya dinobatkan sebagai Juara Dunia lewat nomor ganda campuran pada 2011. Setelah tiga tahun berselang, Zhao Yunlei kembali meraih medali emas lewat dua nomor, yakni ganda campuran dan ganda putri pada Kejuaraan Dunia 2014.
Pada Kejuaraan Dunia 2015 di Jakarta, Zhao juga menjadi pemain kompetisi paling sukses, memenangkan medali ke-10 untuk menyalip jumlah sembilan rekan senegaranya, Gao Ling.
Zhao memiliki satu set lengkap medali Kejuaraan Dunia. Selain memenangkan lima emas pada 2011, 2014 dan 2015, dia juga punya dua medali perak dari edisi 2009 dan 2011, serta tiga perunggu pada 2010 dan 2013.
Selain itu, dia juga tercatat sukses merengkuh dua medali emas Olimpiade. Di Olimpiade London 2012, Zhao meraih medali emas di nomor ganda putri dan nomor ganda campuran.
Seakan belum cukup, empat tahun kemudian pebulu tangkis wanita itu menggondol medali perunggu untuk nomor ganda campuran. Torehan itu diraih kala sang pemain mengikuti edisi Rio 2016.