Khi được gọi vào đội tuyển quốc gia năm 2009, Đỗ Thị Thảo được cử tham gia Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2009 tại Viêng Chăn, Lào, lúc này chị 17 tuổi. Tại kỳ SEA Games này, cô thi đấu bộ môn điền kinh, chạy 800 m và giành được Huy chương Đồng với thành tích 2:12.26,[Ghi chú 1] đứng sau Kumarasamy Ganthi Manthi người Malaysia (Huy chương Bạc, thành tích 2:07.99) và Huy chương Vàng thuộc về đồng đội Trương Thanh Hằng với 2:02.74.[11]

Năm 2011, tại Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2011 ở Palembang và thủ đô Jakarta, Indonesia, Đỗ Thị Thảo tiếp tục thi đấu ở cự ly 800 m và thêm cự ly 1500 m. Ở kỳ đại hội này, cô đã giành được hai Huy chương Bạc, cự ly 800 m với thành tích 2:05.62 và 1500 m với thành tích 4:18.94. Hai Huy chương Vàng bộ môn này đều tiếp tục thuộc về người đồng đội – Trương Thanh Hằng. Hai vận động viên cùng thể hiện vị trí đứng đầu của điền kinh Việt Nam khu vực Đông Nam Á.[12]

Năm 2012, vận động viên Trương Thanh Hằng, trụ cột điền kinh Việt Nam thời đó gặp tai nạn gãy chân, đã phải kết thúc sự nghiệp thể thao. Hy vọng ngành điền kinh được đặt vào Đỗ Thị Thảo.[13] Khi được hy vọng, Đỗ Thị Thảo đã trả lời phỏng vấn:[1]

“Ngày chị Hằng còn ở tổ trung bình của đội tuyển điền kinh, tôi luôn xem chị ấy là tấm gương để mình phấn đấu. Trong các buổi tập chị Hằng luôn là người chạy phía trước, nhìn chị là tôi phải cố gắng hơn gấp nhiều lần để có thể tiến bộ. Trong sinh hoạt, chị Hằng rất gần gũi với tất cả mọi người, chị chỉ dạy cho em út rất nhiều thứ. Giờ không có chị Hằng, cả tổ đi bộ ai cũng cảm thấy trống trải và nhớ chị ấy”.

Trước thềm Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2013, chị tham gia giải Grand Prix châu Á ba vòng tại Băng Cốc, Chonburi ở Thái Lan và Nimali ở Sri Lanka, giành ba tấm Huy chương Bạc.[14] Tới SEA Games 27, Đỗ Thị Thảo giành hai tấm Huy chương Vàng điền kinh, ở cự ly 800 m với thành tích 2:05.52[15] và 1500 m với thành tích 4:22.64.[16]

Năm 2015, tại Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2015, Đỗ Thị Thảo một lần nữa giành hai tấm Huy chương Vàng, bảo vệ vị trí vô địch cự ly 800 m với thành tích 2:05.22 và cự ly 1500 m với thành tích 4:28.39.[5] Thời gian giữa hai ngày thi cự ly, Đỗ Thị Thảo gặp chấn thương phần chân, đồng thời trải qua đợt kiểm tra doping căng thẳng. Cô vẫn tiếp tục phấn đầu và hoàn thành nhiệm vụ. Sau kỳ SEA Games 28, cùng năm 2015, Đỗ Thị Thảo tham thêm Đại hội Thể dục Thể thao toàn quốc tại Thành phố Hồ Chí Minh, giành ba tấm Huy chương Vàng điền kinh toàn quốc rồi quyết định kết thúc sự nghiệp thể thao.[17] Vận động viên được hy vọng thay thế vị trí của Đỗ Thị Thảo là Vũ Thị Ly và Nguyễn Thị Oanh.[17]