2011年，林莉入选国家女排青年队。林莉参加2011年世界青年女排锦标赛，作为自由人首发出场，帮助中国女排青年队3-1战胜美国女排青年队，中国女排青年队获得2011年世界青年女排锦标赛铜牌。2015年，林莉参加亚洲女子排球锦标赛夺得冠军。2015年，世界女排大奖赛第四名。同年，林莉参加在日本举行的2015年女排世界杯获得冠军，同时获得2016年里约奥运会参赛资格。2016年7月10日，2016年世界女排大奖赛总决赛结束，虽然中国女排获得第五名，但是林莉却凭借出色的表现入选最佳阵容，获得最佳自由人。2016年7月18日，2016年里约奥运会中国女排参赛名单公布，林莉成功入选，也是名单里唯一的自由人。决赛中，林莉表现出色，帮助中国女排3比1战胜塞尔维亚女排，时隔12年中国女排再度获得奥运冠军，林莉成功入选最佳阵容，获得最佳自由人。2017年，林莉参加在瑞士蒙特勒举行的瑞士女排精英赛，获得季军。同年，林莉参加在日本举行的女排大冠军杯赛帮助中国女排获得冠军。2018年，林莉参加在印度尼西亚举行的雅加达亚运会女排赛，林莉均首发出场，中国女排以8战全胜获得雅加达亚运会冠军。9月24日，入选女排世锦赛中国队14人名单，出征2018年世界女排锦标赛。10月20日，随队获得2018年世界女排锦标赛季军。2019年7月，林莉参加世界女排联赛获得季军。2019年9月6日，入选女排世界杯中国女排25人名单。9月9日，国际排联公布2019女排世界杯中国女排16人大名单，林莉入选。获得2019年女排世界杯冠军。2020年12月30日，入选国家女排2021年集训运动员名单。