Năm 2012, Duyên được rèn luyện từ kỹ thuật cơ bản đến nâng cao tại Hải Dương và mối duyên với HLV Nguyễn Thị Thiết đã đưa cô gái sinh năm 1996 từ một VĐV trẻ tiềm năng trở thành một trong những nhân tố chính của ĐTQG. Trong tấm vé dự Olympic Rio 2016 của cử tạ nữ Việt Nam, Duyên góp một phần trong đó ở phần điểm đồng đội.

Năm 2018, sự nghiệp Hoàng Thị Duyên bước lên nấc mới khi cô giành tấm HCB thế giới hạng cân 59kg với thành tích cử giật 103kg. Đáng chú ý, Duyên tham gia tranh tài ở chung kết nhóm B, thi đấu trước 11 VĐV có mức tổng dự kiến cao hơn ở nhóm A. Trên BXH Olympic của Liên đoàn Cử tạ Thế giới (IWF) Hoàng Thị Duyên đang nằm trong top 8 giành vé Olympic Tokyo ở hạng 59kg.

Giấc mơ Vàng đã được Duyên hiện thực hóa được một phần khi cô giành tấm HCV Cử tạ nữ hạng 59kg SEA Games 30 đầy thuyết phục. VĐV người Lào Cai đạt thành tích cử giật 95kg và cử đẩy 115kg, qua đó đạt tổng cử 210kg, hơn VĐV huy chương Bạc tới 21kg.