W październiku 1999 roku Stosur wystąpiła w swoim pierwszym turnieju ITF w australijskim Kooralbyn, gdzie w pierwszej rundzie przegrała z Lisą McShea. Kilka pierwszych turniejów zagrała jedynie w grze pojedynczej. W grze podwójnej po raz pierwszy wystartowała w mieście, w którym mieszka –Gold Coast w parze z Melissą Dowse. W styczniu 2000 Australijka po raz pierwszy grała w eliminacjach do zawodowej imprezy, a był towielkoszlemowy turniejAustralian Open wMelbourne. Przegrała w pierwszej rundzie. W styczniu 2001 po raz kolejny próbowała swoich sił w eliminacjach turniejowych (w Gold Coast oraz Australian Open), ale i tym razem nieudanie. 18 marca wygrała swój pierwszy turniej ITF w grze podwójnej w Benalla ze swoją rodaczką,Monique Adamczak. Tydzień wcześniej grała w finale ITF wWarrnambool. Po półrocznej przerwie zagrała w japońskim Kugayama, dochodząc do finału singla i debla. Od tej pory coraz częściej wygrywała turnieje Międzynarodowej Federacji Tenisowej.
Jako 261 zawodniczka na świecie otrzymała dziką kartę do turnieju zawodowego wMondial Australian Women’s Hardcourts w 2002 i to był jej profesjonalny debiut. Przegrała w pierwszej rundzie zAnastasiją Myskiną, podobnie jak w grze podwójnej z Evie Dominikovic. Zadebiutowała z dziką kartą wAustralian Open – w pierwszej rundzie uległaGrécie Arn. W sezonie nie startowała później w imprezach zawodowych, ograniczając się do występów w turniejach ITF. Tam odnosiła znacznie większe sukcesy w deblu niż w singlu.
Rok 2004 zakończyła w gronie stu najlepszych tenisistek świata. Osiągnęła pierwszy turniejowy półfinał wGold Coast, pokonującMeghann Shaughnessy, wkrótce także ćwierćfinał wAcapulco iSeulu, gdzie przegrała zMariją Szarapową. W swoich dwóch meczach singlowych na Melbourne Park ustanowiła rekord turnieju w szybkości kobiecego serwisu, wynoszący 193 km/h. Po raz pierwszy w karierze zagrała we wszystkich turniejach wielkoszlemowych. 12 kwietnia sklasyfikowana na 97 miejscu rankingu, po raz pierwszy na miejscu dwucyfrowym. Poniosła porażkę naigrzyskach olimpijskich w Atenach, kończąc występy w grze pojedynczej i podwójnej na pierwszej rundzie (partnerką deblową byłaNicole Pratt).
W roku 2005 wygrała pierwsze siedem turniejów deblowych w zawodowej karierze (w tym wielkoszlemowy US Open). Finały w Gold Coast i Sydney na początku roku dały jej prowadzenie w rankingu Champions Race, tuż przed rozpoczęciemAustralian Open wdarła się do czołowej pięćdziesiątki rankingu tenisistek WTA. Zdobyła tytuł gry mieszanej wMelbourne. ZBryanne Stewart wygrała pierwsze turnieje deblowe wSydney i Amelia Island, w kolejnej części sezonu jej deblową partnerką zostałaLisa Raymond. Razem z Raymond wygrały turniej mistrzyń pod koniec sezonu.
W 2006 roku razem z Raymond Samantha zdobyła drugi wielkoszlemowy tytuł w deblu na kortachRolanda Garrosa. Para zakończyła sezon na pierwszym miejscu rankingu Race i obroniła tytuł z turnieju mistrzyń. Obydwie zawodniczki zostały jednoczesnymi liderkami klasyfikacji deblistek (Stosur po raz pierwszy 6 lutego). Doszła do finału w Pradze w grze pojedynczej, półfinału w New Haven i trzykrotnie do ćwierćfinałów. Osiągnęła najlepszy singlowy wynik wielkoszlemowy czwartą rundąAustralian Open, gdzie przegrała zMartiną Hingis (pokonała wcześniejAnę Ivanović). W sezonie ograła teżDanielę Hantuchovą,Annę Czakwetadze iLindsay Davenport. Zadebiutowała w czołowej trzydziestce rankingu singlowego.
Przegrała w ćwierćfinale w Mondial Australian Women’s Hardcourts 2007 zDinarą Safiną oraz w drugiej rundzie wSydney zJeleną Janković. Także w drugiej rundzie odpadła z Australian Open. Była w ćwierćfinałach wRakuten Japan Open Tennis Championships iRegions Morgan Keegan Championships and the Cellular South Cup. W turniejach wIndian Wells,Miami iCharleston doszła do trzeciej rundy. Odpadła w pierwszej rundzie wBerlinie i pokonałaAmélie Mauresmo w drugiej rundzie wRzymie (w trzeciej przegrała zPatty Schnyder). W grze podwójnej osiągnęła półfinał Australian Open, razem z Lisą Raymond wygrała turniej wTokio, Indian Wells, Miami i Berlinie. 8 kwietnia 2007 utraciła prowadzenie w rankingu deblistek (Raymond wystartowała w jednym z turniejów z inną partnerką i zyskała dodatkowe punkty, Stosur w nim nie wzięła udziału). Trzecią rundę osiągnęła na kortach Rolanda Garrosa, przegrywając zNicole Vaidišovą. Wystąpiła też wWimbledonie,New Haven iUS Open, ale tylko w Londynie przeszła pierwszą rundę. Po utracie pierwszego miejsca w rankingu deblistek odniosła razem z Lisą Raymond zwycięstwa w Berlinie iEastbourne. Na Roland Garros i Wimbledonie dotarły do półfinałów, ale w Nowym Jorku odpadły już w czwartej rundzie. Ewidentnie Amerykanka i Australijka straciły tytuł najlepszych w sezonie, wyparte przez debelLiezel Huber/Cara Black.
Stosur nie pojawiła się na światowych kortach już do końca roku 2007, zajmując w listopadzie piąte miejsce w gronie deblistek całego świata. Jak się okazało, przyczyną absencji i słabych wyników po Wimbledonie byłaborelioza, na którą zachorowała tenisistka. Pierwsze objawy w postaci bólu głowy pojawiły się u niej już w lipcu podczas podróży z Nowego Jorku do Tampy. Australijka trafiła do szpitala, gdzie podejrzewano nawet zapalenie opon mózgowych. Treningi wznowiła w grudniu, planując powrót wraz z początkiem 2008 roku. Plany te spaliły jednak na panewce, a na tydzień przed końcem roku Stosur poinformowała, że wycofuje się zarówno z turnieju w Gold Coast, jak i Australian Open.
W roku 2009 Stosur zdecydowanie postawiła na występy singlowe, chociaż w deblu radziła sobie bardzo dobrze. Razem zRennae Stubbs była w finaleEastbourne,Wimbledonu (również przegrana z siostrami Williams),Toronto i półfinaleUS Open. Te wyniki pozwoliły deblowi Stosur/Stubbs wystąpić wSony Ericsson Championships, gdzie przegrały pierwszy mecz z deblemBlack/Huber.
Singiel, który od tego sezonu stał się dla Stosur sprawą priorytetową, przyniósł jej kilka znaczących sukcesów i pozwolił zakończyć rozgrywki na miejscu nr 13 w rankingu światowym. Australijka była w trzeciej rundzieAustralian Open, ćwierćfinaleMiami (wygrana m.in. zDinarą Safiną, ówczesnym numerem 2. cyklu), półfinaleRolanda Garrosa (pierwszy raz dotarła do takiej fazy w turnieju Wielkiego Szlema), 3. rundzieWimbledonu, półfinaleStanford, finaleLos Angeles, ćwierćfinale Toronto oraz 2. rundzieUS Open. Na sam koniec sezonu odniosła swoje pierwsze turniejowe zwycięstwo wOsace, pokonując w półfinaleCaroline Wozniacki, a w finaleFrancescę Schiavone 7:5, 6:1.
W 2010 roku w deblu zdecydowała się występować zNadieżdą Pietrową. Współpraca ta przyniosła wyniki w postaci finałuIndian Wells,Miami oraz trzecich rund nakortach im. Rolanda Garrosa i wWimbledonie. Po turnieju w Londynie Stosur zrezygnowała w tym sezonie z dalszych występów deblowych, by nie obciążać organizmu i skupić się na singlu. Wpływ na tę decyzję miała kontuzja ramienia.
W grze pojedynczej rozegrała jak do tej pory najlepszy sezon w karierze. WAustralian Open przegrała dopiero w 4. rundzie z późniejszą mistrzynią turnieju –Sereną Williams. Następnie począwszy od marcowegoIndian Wells (półfinał), aż do turnieju wEastbourne (również półfinał) nie schodziła poniżej poziomu ćwierćfinału. Spośród licznych udanych występów należy wymienić: wygrany turniej wCharleston, finały wStuttgarcie (przegrana zJustine Henin) ina kortach Rolanda Garrosa. Ten ostatni wynik jest jej najlepszym do tej pory sukcesem. W drodze do finału Stosur pokonała Justine Henin (przerwała w ten sposób fenomenalną serię 21 zwycięstw z rzędu Belgijki w tym turnieju),Serenę Williams (po dramatycznym meczu z numerem jeden rankingu zwyciężyła 6:2, 6:7(2), 8:6), a w półfinale gładkoJelenę Janković 6:1, 6:2. W walce o tytuł uległaFrancesce Schiavone, którą pokonała rok wcześniej w pierwszej rundzie w tym samym turnieju.
Po nieudanym turnieju wimbledońskim (1. runda z późniejszą ćwierćfinalistkąKaią Kanepi) przeniosła się na korty twarde, gdzie zaliczyła półfinał wStanford i ćwierćfinałSan Diego. Następnie zrezygnowała z udziału w turniejach wCincinnati iMontrealu z powodu kontuzji ramienia. WUS Open dotarła do ćwierćfinału, gdzie kolejny raz w tym sezonie przegrała z późniejszą mistrzynią. Tym razem była toKim Clijsters, z którą przegrała w trzech zaciętych setach. Równie dramatyczny mecz stoczyła rundę wcześniej zJeleną Diemientjewą. Po 2 godzinach i 40 minutach walki zwyciężyła 6:3, 2:6, 7:6(2).Wyniki singlowe wsezonie 2010 pozwoliły jej na stałe zagościć w czołowej dziesiątce singlowego rankingu.
W sezonie olimpijskim 2012 Stosur osiągnęła dwa finały singlowe: wAd-Dausze iMoskwie. W tym roku Australijka zanotowała pierwszą rundęAustralian Open, półfinałFrench Open, drugą rundęWimbledonu i ćwierćfinałUS Open w singlu oraz pierwszą rundęFrench Open i drugąWimbledonu w deblu. Naigrzyskach olimpijskich osiągnęła pierwszą rundę zawodów, zarówno w grze pojedynczej, jak również w grze podwójnej. Uczestniczyła wMistrzostwach WTA jako zawodniczka rezerwowa, jednakże po rezygnacji Petry Kvitovej z dwóch ostatnich meczów, Stosur zajęła jej miejsce. Ostatecznie przegrała kolejne dwa mecze zErrani iSzarapową, przez co zajęła ostatnie miejsce w grupie.
Jej kolejny występ miał miejsce wCharleston, gdzie w spotkaniu trzeciej rundy zEugenie Bouchard skreczowała przy stanie 1:6, 0:2, gdyż nastąpiło odnowienie urazu łydki[5]. WStuttgarcie i wMadrycie nie wygrała meczu. WRzymie natomiast osiągnęła ćwierćfinał singla i drugą rundę debla. NaFrench Open wygrała po dwa mecze wgrze pojedynczej ipodwójnej. Okres gry na nawierzchni trawiastej rozpoczęła od zawodów wEastbourne, gdzie przegrała w drugim meczu. NaWimbledonie awansowała do trzeciej rundysingla, a wdeblu odpadła po pierwszym meczu.
Okres przygotowawczy do ostatniego turnieju wielkoszlemowego rozpoczęła wStanford. W swoim pierwszym meczu uległaWoldze Hawarcowej 2:6, 4:6. Następnie zwyciężyła wCarlsbadzie, odnosząc tym samym czwarty triumf singlowy w karierze. W finale pokonałaWiktoryję Azarankę w dwóch setach. WToronto iCincinnati osiągnęła trzecie rundy. Po drugim z tych turniejów rozstała się ze szkoleniowcem, Davidem Taylorem, który trenował ją przez sześć lat[6]. Na US Open przegrała w pierwszej rundziesingla i drugiejdebla.
WTokio Australijka awansowała do trzeciej rundy singla, a wPekinie przegrała w swoich pierwszych meczach w obu konkurencjach. Udział wSeulu zakończyła triumfem 3:6, 7:5, 6:2 nadEugenie Bouchard w meczu mistrzowskim gry pojedynczej i finałem w deblu. WMoskwie natomiast awansowała do finału singla, a w deblu odniosła turniejowe zwycięstwo. W turniejuTournament of Champions wygrała dwa spotkania fazy grupowej, a następnie awansowała do finału, w którym uległaSimonie Halep 2:6, 6:2, 6:2.
Sezon 2014 rozpoczęła udziałem wPucharze Hopmana, w którym Australia zajęła ostatnie miejsce w grupie z trzema porażkami na koncie. WHobart Stosur awansowała do półfinału. W Australian Open osiągnęła trzecią rundę wgrze pojedynczej i drugą wgrze podwójnej. WAd-Dausze wygrała jeden mecz. WDubaju natomiast zanotowała półfinał debla. WIndian Wells wygrała dwa mecze w grze pojedynczej, a w deblu osiągnęła kolejny półfinał. Także trzecią rundę zapisała na swoim koncie wMiami.
Na kortach ziemnych wCharleston Australijka wygrała w jednym spotkaniu. Bez zwycięstwa pozostała wOeiras. Następnie awansowała do trzecich rund wMadrycie orazRzymie. Udział we French Open zakończyła na czwartym pojedynku wsinglu i po pierwszym wdeblu.
Okres gry na kortach w Azji najwyżej rozstawiona Stosur rozpoczęła od porażki w pierwszej rundzie wKantonie. WWuhanie Australijka przegrała w pierwszym meczu zKarolíną Plíškovą 4:6, 4:6. W zawodachWTA Premier Mandatory wPekinie awansowała do półfinału, pokonując w turniejuFrancescę Schiavone,Caroline Wozniacki orazAlizé Cornet, a także orzymując walkower od Sereny Williams. W półfinale ponownie uległa Kvitovej. Na zakończenie sezony wygrała turniej wOsace, pokonując w meczu mistrzowskimZarinę Dijas 7:6(7), 6:3.
Stosur rozpoczęłasezon 2015 porażką wBrisbane zVarvarą Lepchenko. WSydney iAustralian Open awansowała do drugiej rundy. W pierwszychdeblowych zawodach wielkoszlemowych osiągnęła trzecią rundę. W rozgrywkach Grupy ŚwiatowejPucharu Federacji przegrała wszystkie trzy mecze w konfrontacji z Niemcami. WDubaju Australijka przegrała w drugiej rundzie zCaroline Wozniacki, zaś wDosze nie wygrała meczu. Zawody wIndian Wells zakończyła na trzeciej rundzie singla i półfinale debla, a wMiami doszła do trzeciej rundy gry pojedynczej i pierwszej rundy gry podwójnej.
Okres gry na nawierzchni ceglanej Stosur rozpoczęła od osiągnięcia drugiej rundy wCharleston, trzeciej wMadrycie i pierwszej wRzymie. Następnie triumfowała w rozgrywkach wStrasburgu, pokonując w finaleKristinę Mladenovic 3:6, 6:2, 6:3. NaFrench Open przegrała w trzeciej rundzie z rozstawioną z numerem drugimMariją Szarapową. Wdeblu ponownie zanotowała trzecią rundę.
WBåstad tenisistka wygrała jeden mecz. Kolejny singlowy triumf w zawodach WTA Tour zaliczyła wBad Gastein, gdzie w meczu mistrzowskim pokonałaKarin Knapp 3:6, 7:6(3), 6:2. WWaszyngtonie zanotowała półfinał, przegrywając w nim zeSloane Stephens w dwóch setach.
Grę na nawierzchniach ceglanych tenisistka zaczęła od zawodów wCharleston, wygrywając dwa mecze. Następnie dotarła do finału wPradze, gdzie zatrzymała ją dopieroLucie Šafářová. WMadrycie osiągnęła półfinał, w którym uległa późniejszej triumftorceSimonie Halep. Równie daleko zaszła w wielkoszlemowymFrench Open, m.in. rewanżując się Rumunce.
Zakończyła rok na 21. miejscu, co jest wynikiem porównywalnym z poprzednimi trzema latami. W deblu wygrała kilka meczów, zajmując 124. pozycję w rankingu.
Podczas styczniowych turniejów w swoim rodzinnym kraju nie wygrała ani jednego meczu. W lutym doszła do ćwierćfinału wTajpej iDosze, a wDubaju odniosła jedno zwycięstwo. W marcu po porażce w drugiej rundzie wIndian Wells doszła do czwartej rundy wMiami, gdzie była bliska zwycięstwa z Simoną Halep.
Tenisistka mieszka wGold Coast. Jest córką Dianne i Tony’ego Stosur. Ma dwóch braci, Daniela i Dominica. Jej hobby to muzyka i zakupy. 16 czerwca 2020 jej partnerka urodziła córeczkę, Genevieve[7].