Entrena habitualmente en la Academia World Olympic Gymnastics (WOGA), situada en la localidad de Plano, Texas, y está entrenada por su propio padre, el antiguo gimnasta soviético Valeri Liukin, campeón olímpico en los Juegos de Seúl 1988.

En 2005 consiguió su primer gran éxito en categoría absoluta al proclamarse por vez primera campeona de EE.

En el concurso general individual mantuvo un duelo muy reñido con su compañera de equipo Chellsie Memmel, que finalmente se hizo con la medalla de oro, mientras Nastia Liukin debió conformarse con la plata.

En el Campeonato Pacific Alliance de 2006 quedó empatada en la primera posición del concurso general con Chellsie Memmel.

Sin embargo debido a una lesión en un tobillo mientras entrenaba solo compitió en el aparato de paralelas asimétricas.

Consiguió clasificarse tercera por detrás de sus compañeras Shawn Johnson y Shayla Worley.

No pudo, sin embargo, subir al podio en la final individual debido a un mal ejercicio de barra.

[6]​ En marzo formó parte del equipo estadounidense que participó en el Pacific Rim Championships celebrado en San José.

[9]​ En junio de 2008 participó en los Olympic Trials (pruebas para seleccionar al equipo olímpico) celebrados en Philadelphia.

Terminó la competición individual en segunda posición por detrás de Shawn Johnson.

[10]​ Además, se clasificó quinta en salto, primera en asimétricas, tercera en viga de equilibrio y segunda en suelo.

[14]​ Liukin se convirtió en la tercera gimnasta olímpica estadounidense en conseguir el título de campeona olímpica después de que lo hubiesen hecho Mary Lou Retton en 1984 y Carly Patterson en 2004.

Fue llamada por el equipo nacional para la preparación para el mundial de ese año, pero finalmente, Liukin decidió no competir debido a que consideró que su nivel no era el adecuado para participar en unos Mundiales.

Para que su petición fuese aceptada necesitaba conseguir una puntuación igual o superior a 14.0 en una prueba individual en algún campeonato clasificatorio.

Tuvo una caída en las barras asimétricas que la condenó a la décima posición en ese aparato.