本场半决赛，孙颖莎迅速进入状态，首局完全压制了对手，以11比3轻取“开门红”。一向以心理素质著称的伊藤美诚马上调整战术，在第二局一度以7比1领先。孙颖莎稳扎稳打，出手依然坚决果断，在3比9落后时连得8分，反以11比9逆转赢下该局。
第三局伊藤美诚开始搏杀，双方展开激烈争夺。孙颖莎在局中阶段逐渐建立领先优势，以11比6再下一城。第四局，面对气势如虹的孙颖莎，伊藤美诚已破敌乏术，仅靠搏杀涨分，但成功率并不高。最终，孙颖莎以11比4锁定胜局，挺进决赛。
在此前进行的另一场半决赛中，头号种子陈梦一改慢热，以11比6、11比8、11比7、11比6击败新加坡“黑马”老将于梦雨，率先进入决赛。孙颖莎获胜后，中国选手再次包揽了本届奥运会女单冠亚军。乒乓球自1988年成为奥运会正式比赛项目以来，中国女队不仅包揽单打八金，且仅有2004年令亚军旁落。由于陈梦和孙颖莎此前都没有奥运会经验，女单赛前曾被视为国乒此战东京相对不保险的一项，但两人最终用优异表现捍卫了中国女乒的荣誉。
