Najbardziej znaczącymi sukcesami biegaczki są cztery złote medale mistrzostw świata, które zdobyła w 2003, 2005 (dwa krążki) oraz 2007. Podczas czempionatu w Paryżu (2003) pokonała na ostatnich metrach Hiszpankę Martę Domínguez oraz Kenijkę Edith Masai. Dwa lata później Dibaba stała się pierwszą kobietą, która wygrała podczas jednych mistrzostw świata biegi na 5000 i 10 000 metrów. Dzięki zdobyciu złota na 10 000 m w Osace zapisała się w historii jako pierwsza w historii obrończyni mistrzowskiego tytułu na tym dystansie.
W roku 2004 zdobyła swój pierwszy olimpijski medal. Dibaba w biegu na 5000 m została pokonana przez swoją koleżankę z reprezentacji Meseret Defar oraz Kenijkę Isabella Ochichi. Niektórzy komentatorzy uznali ten wynik za rozczarowanie, ale 19 letnia wówczas biegaczka została najmłodszą w historii Etiopii medalistką igrzysk olimpijskich.
W 2006 roku wygrała pięć z sześciu mityngów Golden League.