Dal 2013 al 2016
Durante i campionati europei svoltisi a Rostock, il 21 giugno del 2013 vince la medaglia d'oro nel trampolino da un metro, oltre alla medaglia d'argento nel trampolino dai tre metri e al quinto oro consecutivo nel sincro, sempre con Dallapé. Tania Cagnotto conquista così la 19º medaglia continentale, superando lo storico record dello zar Dmitrij Sautin. Un mese dopo, in occasione dei campionati mondiali di Barcellona 2013, vince nel sincro 3 metri la medaglia d'argento in coppia con Francesca Dallapé. Quanto alla gara da un metro, il 23 luglio 2013, al termine di una gara condotta in testa fin dal secondo giro di tuffi, perde la medaglia d'oro per soli 10 centesimi a favore della cinese He Zi, conquistando così un argento che è comunque storico in quanto è il primo conquistato in una gara individuale. Un altro oro arriverà nel 2014 ai Campionati europei di nuoto a Berlino, vincendo la gara del trampolino da un metro. Il 23 agosto, insieme alla fedele compagna Francesca Dallapé conquista poi il sesto oro consecutivo in una competizione europea nella gara di sincro dal trampolino dei tre metri. Il giorno seguente porta a casa la medaglia d'argento nella gara dal trampolino 3 metri. Un anno dopo vince la sua quindicesima medaglia d'oro in un campionato europeo ai Campionati europei di tuffi a Rostock. Il giorno seguente è ancora oro nel trampolino tre metri sincro in coppia con Francesca Dallapé: dopo tale successo il duo italiano passa alla storia per essere diventata la coppia più longeva e vincente nel mondo dei tuffi. Nello stesso anno conquista la medaglia d'oro nel trampolino tre metri ottenendo il pass olimpico per Rio 2016 e il record personale di tre ori nelle tre gare disputate. Ai campionati mondiali di nuoto di Kazan', in Russia, conquista il suo primo titolo iridato (prima italiana nella storia), trionfando nella gara del trampolino da 1 metro. Il 1 agosto vince il bronzo dal trampolino da 3 metri, il giorno dopo bissa il risultato nel sincro da 3 metri misto con Maicol Verzotto, mentre in coppia con Dallapé chiude quinta. Ai Giochi di Rio de Janeiro 2016 conquista l'argento nel trampolino da 3 metri sincronizzato con Dallapé e il bronzo sempre nel trampolino da 3 metri.