Čmilytė-Nielsen je prvič tekmovala na svetovnem prvenstvu v šahu za ženske leta 2000, ko je dosegla tretji krog. Leta 2004 jo je v četrtfinalu premagala nekdanja svetovna prvakinja Maia Chiburdanidze. V letu 2006
Čmilytė-Nielsen je dosegla polfinale in izgubila pred končno runner-up, Aliso Galliamovo. Leta 2008 in 2010 je izpadla v drugem krogu, leta 2010 in 2015 pa v tretjem krogu.