Ksenia lên đường đến Nam Phi tham dự cuộc thi Hoa hậu Thế giới 2008. Ngay từ đầu, cô đã được đặt cược sẽ đội lên đầu chiếc vương miện xanh huyền thoại. Điều kỳ lạ là Ksenia Sukhinova và Hoa hậu Thế giới 2007 người Trung Quốc, Trương Tử Lâm đều giành được những thành tích giống hệt nhau: cả hai người cùng đoạt Á hậu 2 tại giải Hoa hậu Bãi biển và cùng đăng quang tại giải Nữ hoàng Sàn diễn (Miss World Top Model).

Ksenia lọt thẳng vào top 15 chung kết do giải thưởng Hoa hậu Siêu mẫu đã đạt được. Cô tiếp tục bước vào Top 5 phần thi ứng xử và cuối cùng đăng quang Hoa hậu Thế giới 2008. Hai á hậu là hoa hậu Ấn Độ và hoa hậu Trinidad và Tobago. Đây là lần thứ hai nước Nga giành vương miện Hoa hậu Thế giới, sau chiến thắng của người đẹp Julia Kourotchkina năm 1992.

Cô là một trong số ít hoa hậu tóc vàng đăng quang cuộc thi này và trong một cuộc bầu chọn, cô chính là hoa hậu đẹp thứ hai trong lịch sử cuộc thi sau Hoa hậu Thế giới 1994 người Ấn Độ.

Cũng trong năm 2008, Global Beauties đã xướng tên Ksenia ở vị trí thứ 2 trong Top 5 Miss Grand Slam - Hoa hậu của mọi hoa hậu năm đó. Đây là thành tích cao thứ hai của Nga trong cuộc đua này.