Čmilytė-Nielsenová poprvé soutěžila na mistrovství světa v šachu pro ženy v roce 2000, kdy dosáhla třetího kola. V roce 2004 byla poražena ve čtvrtfinále bývalou mistryní světa žen Maia Chiburdanidze. V roce 2006
Čmilytė-Nielsenová se dostala do semifinále a prohrála s eventuálním druhým vítězem Alisou Galliamovou. V letech 2008 a 2010 byla vyřazena ve druhém kole, zatímco v letech 2010 a 2015 byla vyřazena ve třetím kole.