2010년 아시안 게임에서 대한민국 선수로는 최초로 리듬체조에서 동메달을 획득했다. 2012년 하계 올림픽에서 대한민국 선수 최초로 결선에 진출하여 종합 5위의 성적을 기록하였고, 2014년 국제체조연맹리듬체조 월드컵 시리즈 리스본 대회에서 대한민국 최초로 금메달을 획득하였다. 또한 2014년 아시안게임에서 대한민국 최초로 개인전 금메달과 단체전 은메달을 획득하였다. 2015년, 광주유니버시아드에서 대한민국 최초로 개인종합 금메달을 흭득했으며 후프, 볼에서 금메달을 추가로 획득하였다. 2016년, 리우 올림픽에서 아시아 최고기록인 종합 4위를 달성했다. 2016년에는 은메달 동메달을 흭득하였다. 이후 2017년2월 8일, 공식 은퇴를 선언하였다.
현재는 리프 스튜디오의 대표를 맡고 있다.
2010년 아시안 게임 에서 한 어린 여자 초등학생 팬이 손연재의 발바닥을 간지럼태웠다. 손연재는 너무 간지러운 나머지 볼을 팬에게 던지는 실수를 하였고 손연재는 그이후로 자신의 반려견인 "두부"라는 반려견을 키우게 됐다고.