2010年9月，于文霞参加了中国旅游小姐大赛，并最终获得了哈尔滨赛区的冠军 。2012年初，于文霞准备举办一场独唱音乐会，来向学校做一个毕业汇报；而就在此时，世界小姐中国区选美大赛即将来临。在同学的力挺和老师曲冬梅的鼓励下，于文霞最终决定报名参加这次比赛 ；同年6月，以“美丽启航，爱在路上”为主题的第62届世界小姐中国区决赛于北京举行。在此前全国八个分赛区胜出的39名选手中，于文霞不负众望，最终成功摘得中国区总冠军的桂冠 ，并以中国小姐的身份晋级世界小姐全球总决赛；同年8月，于文霞进入为期近一个月的世界小姐总决赛的竞逐过程，按照组委会的规定，来自世界各地的佳丽都是独自参赛，而于文霞先是在才艺展示环节中，向全球观众演绎了极具中国特色的民歌《芦花》 ，并最终在来自世界各地的115名佳丽中脱颖而出，荣获第66届世界小姐选美大赛全球总冠军，进而成为第二位赢得世界小姐的中国人，与此同时，于文霞还获得了比赛的最佳才艺奖和“亚太区美皇后”的称号 。此后一年，作为世界小姐的于文霞参与了在世界各地举行的众多慈善和公益活动。2013年，于文霞以上届冠军的身份出席了在印尼巴厘岛举行的第63届世界小姐全球总决赛，并按照惯例为获得总冠军的菲律宾小姐Megan Young戴上了世界小姐的后冠 。2015年，于文霞与郎朗，邓紫棋等艺人共同参加了湖南卫视娱乐脱口秀节目《天天向上》的开年特辑，并和郎朗约定一起为慈善做更多的努力 。