2012년 하계 올림픽이 개최되는 해에 국가대표에 발탁되었으나, 이성진, 최현주에 밀리는 등, 월드컵 기록과 선발전 기록에서 1점 차이로 밀려 런던 올림픽 행에 실패했다. 2013년 세계 선수권 대회에서 윤옥희, 기보배와 함께 금메달을 획득했다. 2014년 3차 월드컵에서는 월드컵 출전 7회 만에 개인전 입상하였다.
2014년 아시안 게임에서는 정다소미, 이특영과 함께 단체전에서 금메달을 획득하였으며, 개인전에서는 정다소미에게 패해 은메달을 획득하였다. 2년 후인 2016년 하계 올림픽을 앞두고 펼쳐진 국가대표 선발전에서 마지막 날 반드시 1위를 해야 리우행 티켓을 딸 수 있었던 장혜진은 극적으로 1위를 해 런던올림픽때와는 반대로 4위를 한 신인 강채영을 1점 차로 제치고 3위로 선발전을 통과해 리우데자네이루행 티켓을 잡으며 나이 30세에 처음으로 올림픽 무대를 밟게 됐다. 기보배, 최미선과 함께 단체전에서 금메달을 획득하여 8연패를 이루어냈고 개인전 16강 에서는 북한의 강은주를 상대로 남북 대결을 펼쳤는데 장혜진이 완승하였다. 그리고 준결승전에서 최미선의 탈락으로 2연속 2관왕이 유력했던 디펜딩 챔피언 기보배를 이겨서 결승에 올랐고 마침내 올림픽 2관왕의 꿈을 이루었다.
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금메달
은메달
동메달
