การแข่งขัน โอลิมปิกฤดูร้อน 2004 ที่ เอเธนส์ ประเทศกรีซ วันที่ 21 สิงหาคม พ.ศ. 2547 ร้อยโทหญิงปวีณา ลงแข่งขันในรุ่นน้ำหนัก 75 กิโลกรัม ท่าแรก คือท่าสแนทช์ ยกได้ 122.5 ก.ก. เป็นอันดับสองรองจากวาเลติน่า เลโปว่า จากประเทศรัสเซีย ซึ่งยกได้ 125 ก.ก. ท่าที่สอง คือคลีนแอนด์เจิร์ก ปวีณายกได้ 150 ก.ก. ซึ่งเป็นสถิติโอลิมปิก ในขณะที่วาเลติน่ายกได้เพียง 147.5 ก.ก. จึงมีน้ำหนักรวมเท่ากัน แต่นางสาวปวีณา มีน้ำหนักตัวน้อยกว่า จึงได้เหรียญทองไปครอง ถือเป็นนักกีฬาหญิงคนที่สองของไทย ถัดจาก อุดมพร พลศักดิ์ ซึ่งได้เหรียญจากรุ่น 53 ก.ก. ไปก่อนแล้ว

ร.อ.หญิง ปวีณา ได้รับเลือกจากสหพันธ์ยกน้ำหนักนานาชาติให้เป็นนักกีฬายกน้ำหนักหญิงยอดเยี่ยม ของการแข่งขันโอลิมปิกเกมส์ครั้งดังกล่าว นอกจากนี้ มหาวิทยาลัยราชภัฏสุรินทร์ ได้มอบปริญญาวิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์ โปรแกรมวิชาวิทยาศาสตร์การกีฬาให้ ในพิธีมอบปริญญา ประจำปี พ.ศ. 2547