Nel corso della sua carriera, costellata da una serie di infortuni che non le hanno permesso di giocare ad alti livelli con continuità, si è aggiudicata tre titoli WTA e ha disputato le finali all'Open di Francia 2023 e al torneo di Wimbledon 2026, raggiungendo come best ranking la 6ª posizione mondiale nel luglio 2026. Da doppista si è spinta fino al quarto posto del doppio femminile alle Olimpiadi di Parigi 2024 e si è aggiudicata il doppio misto allo US Open 2026, rispettivamente con i connazionali Linda Nosková e Jakub Menšík.
Carriera
2013-2018: esordi Esordisce nel circuito ITF Women's World Tennis Tour nell'ottobre 2013, quando aveva diciassette anni. L'anno seguente si aggiudica il primo titolo ITF. Nel 2017 approda nel tabellone principale di un torneo WTA per la prima volta in carriera: il Korea Open 2017, circostanza in cui cede in tre set a Priscilla Hon.
Nel 2018 partecipa alle qualificazioni del torneo di Stoccarda, dove viene sconfitta in tre set al primo turno dalla connazionale Markéta Vondroušová. Non fa meglio nemmeno all'Open di Francia, in quanto cede a Rebecca Šramková. A Wimbledon, invece, supera Ivana Jorović, per poi uscire al secondo turno di qualificazioni per mano della finalista del 2014 Eugenie Bouchard. Riesce a qualificarsi per la prima volta per il tabellone principale agli US Open. Qui, dopo aver eliminato nelle qualificazioni: Vitalija D'jačenko, Jasmine Paolini e Françoise Abanda, si impone su Dajana Jastrems'ka e la ex numero uno del mondo e due volte campionessa Slam Garbiñe Muguruza. In seguito, viene sconfitta da Ashleigh Barty in due set. Successivamente, prende parte alle qualificazioni per il torneo di Lussemburgo vincendo il primo match contro Heather Watson, prima di ritirarsi contro Jana Fett senza scendere in campo.
2019: primo titolo WTA, quarti di finale a Wimbledon, a ridosso della top 20 Inizia l'anno con le qualificazioni al torneo di Brisbane, dove, dopo aver eliminato Lizette Cabrera e aver usufruito del ritiro di Dajana Jastrems'ka sul punteggio di 6-2, 5-1 per Muchová, viene eliminata in rimonta all'esordio da Potapova. Supera le qualificazioni per gli Australian Open avendo la meglio su Arina Rodionova, Ljudmila Samsonova e Jamie Loeb. Tuttavia, viene sconfitta dalla connazionale e top 10 Karolína Plíšková. Sorprende in Qatar dove approda al tabellone principale del torneo ed elimina Samantha Stosur e Hsieh Su-wei, per poi cedere ad Elina Svitolina. Qualificatasi per il torneo di Miami, si impone su Nao Hibino, ma viene fermata in rimonta dalla numero otto del ranking Angelique Kerber. A Monterrey elimina con qualche difficoltà Xu Shilin, prima di perdere nuovamente contro Kerber. Raggiunge la prima finale WTA in carriera a Praga, venendo sconfitta solamente da Jil Teichmann, che ha la meglio per 7-6(5), 3-6, 6-4. Nel corso del torneo, estromette nell'ordine: Iga Świątek, Jennifer Brady, Natal'ja Vichljanceva e Bernarda Pera.
Si presenta a Parigi, dove elimina in rimonta Anett Kontaveit, prima di essere rimontata a sua volta da Irina-Camelia Begu. Gioca in Olanda al torneo di 's-Hertogenbosch, uscendo di scena all'esordio per mano di Alison Riske. A Wimbledon si spinge fino ai quarti di finale, dopo aver superato senza grossi problemi: Aleksandra Krunić, Madison Brengle e Anett Kontaveit. Negli ottavi di finale è opposta alla connazionale Karolína Plíšková, numero tre del ranking, che batte solo al terzo set, per 13-11, dopo un'ora e cinquanta di gioco. Successivamente si scontra con Elina Svitolina, numero otto della classifica, la quale ha la meglio sulla ceca.
In preparazione allo US Open, prende parte al Bronx Open a New York. Qui, dopo facili vittorie su Viktória Kužmová e Kristie Ahn, cede in rimonta a Magda Linette. Disputa l'ultimo Slam della stagione eguagliando il terzo turno raggiunto l'anno precedente, dove viene sconfitta in due set dalla futura finalista Serena Williams. Inaugura lo swing asiatico con la vittoria del suo primo titolo in carriera. Nel torneo di Seoul si impone con qualche difficoltà su Alison Van Uytvanck, per poi superare Tímea Babos e Priscilla Hon; in semifinale ha la meglio su Wang Yafan, mentre nell'ultimo turno conquista il titolo sopra Linette con un doppio 6-1. Grazie a questi risultati, entra per la prima volta tra le migliori quaranta giocatrici del mondo, precisamente al 37º posto del ranking WTA. In seguito non si presenta a Wuhan per disputare il più importante torneo di Pechino, dove tuttavia viene eliminata all'esordio da Madison Keys.
Disputa la semifinale nel torneo di Mosca, la prima di categoria Premier, grazie alle vittorie su Svetlana Kuznecova, Donna Vekić ed Ekaterina Aleksandrova. Tuttavia, è costretta a cedere alla vincitrice russa del 2014 Anastasija Pavljučenkova, che prevale con il punteggio 6-4, 6(6)-7, 6-1. A fine torneo, supera le 200 vittorie nel circuito maggiore e sale alla 26ª posizione del ranking, entrando per la prima volta nella top 30. Ciò le permette di essere l'ultima tennista a qualificarsi (due giorni prima dell'inizio) per il torneo secondario alle Finals, il Elite Trophy, grazie soprattutto ai numerosi forfait delle giocatrici che la precedono in classifica, e viene inserita nel gruppo Camelia con le statunitensi Alison Riske e Sofia Kenin. Si aggiudica a fatica entrambi gli incontri in tre set, accedendo alla semifinale contro Aryna Sabalenka e spingendosi fino al 21º posto in graduatoria. Tuttavia, la bielorussa ha la meglio con il punteggio 7-5, 7-6(4), annullando anche un set point nel secondo parziale a Muchová.
2020 La ceca inizia l'anno a Brisbane, opposta ad Alison Riske: perde per 4-6 2-6. All'Australian Open trova, a fatica, la prima vittoria dell'anno contro Kirsten Flipkens (6-3 2-6 7-6(7)); al secondo turno, tuttavia, cede sorprendentemente alla rientrante CiCi Bellis con un doppio 4-6. Tra Dubai e Doha, Karolína coglie solo una vittoria.
Da marzo ad agosto, il circuito WTA è costretto a una pausa forzata, dovuta alla pandemia di COVID-19. La tennista di Olomouc riprende a giocare direttamente Western & Southern open, svoltosi eccezionalmente sui campi dello USTA Billie Jean King National Tennis Center di New York: ottiene il successo su Ann Li (duplice 6-4) mentre al secondo turno viene sconfitta dalla futura finalista Naomi Ōsaka, in una partita tirata (7-6(5) 4-6 2-6). Agli US Open è 20ª testa di serie: al primo turno batte Venus Williams (bi-campionessa nella Grande Mela) per 6-3 7-5. Al secondo turno si impone in due set su Anna Kalinskaja mentre al terzo turno soffre ma vince contro Sorana Cîrstea (6-3 2-6 7-6(7)). Agli ottavi (i primi in carriera colti nello slam americano) viene sconfitta da Viktorija Azarenka per 7-5 1-6 4-6
Chiude l'anno giocando sulla terra di Parigi e sul veloce di Ostrava: nel primo caso esce di scena contro Christina McHale, mentre in patria batte Shuai Zhang con un doppio 6-1 prima di essere superata da Elise Mertens (4-6 2-6). Chiude l'anno da numero 27 del mondo.
2021: semifinale agli Australian Open e ritorno nei quarti a Wimbledon, top 20 La ceca inizia l'anno al WTA 500 di Abu Dhabi, dove è accreditata della 12ª testa di serie. Dopo una comoda vittoria su Danka Kovinic (6-4 6-1), decide di ritirarsi prima del match contro Kasatkina. Al Gippsland Trophy, Muchová è 8ª testa di serie: dopo un bye al primo turno, elimina McNally (doppio 6-1) e Paolini (6-2 4-6 6-4), giungendo ai quarti, dove si ritira prima del match contro Kaia Kanepi. Agli Australian Open, estromette, in ordine, Ostapenko (7-5 6-2), Barthel (6-4 6-1) e la numero 6 del mondo Karolína Plíšková (7-5 7-5); al quarto turno, sfida prevale su Elise Mertens per 7-6(5) 7-5, approdando al suo secondo quarto di finale Slam della carriera. Nella circostanza, si sbarazza della numero uno del mondo e padrona di casa Ashleigh Barty per 1-6 6-3 6-2, accedendo alla prima semifinale Slam in carriera, dove cede alla statunitense Jennifer Brady in tre set (4-6 6-3 4-6).
Dopo aver saltato gli appuntamenti sul cemento di febbraio-marzo, la ceca inaugura a Stoccarda la stagione su terra: esce di scena al primo turno contro Ekaterina Aleksandrova (6-4 2-6 3-6). Nel frattempo Karolína riesce ad approdare in top-20, piazzandosi proprio al 20º posto. Gioca meglio a Madrid, dove batte nettamente Wang (6-1 6-3) per poi eliminare la numero due del mondo Naomi Ōsaka (6-4 3-6 6-1). Vince ancora su Maria Sakkarī al terzo turno (6-0 6(9)-7 7-5) prima di perdere da Anastasija Pavljučenkova in due tie-break. Gioca un discreto torneo al Roland Garros, dove, da 18ª testa di serie, giunge fino al terzo turno, battuta da Sloane Stephens (3-6 5-7). Dopo una sconfitta prematura a Berlino, partecipa al torneo di Wimbledon: batte Zhang Shuai (6-3 6-3), Camila Giorgi (6-3 5-7 6-3), Pavljučenkova (7-5 6-3) e Paula Badosa (7-6(6) 6-4), replicando i quarti di finale colti nel 2019. Come successe nel suo altro quarto major, anche in questo caso Muchová non riesce a raggiungere la semifinale, cedendo alla campionessa del 2018 Angelique Kerber (2-6 3-6).
La ceca ritorna poi in campo a Toronto, dove incassa una sconfitta all'esordio contro Océane Dodin (3-6 6-1 2-6); va meglio a Cincinnati, dove supera Johanna Konta in tre set (3-6 7-6(5) 6-2) e poi la campionessa in carica Bianca Andreescu (6-4 6-2). Agli ottavi è comunque costretta al ritiro contro l'oro olimpico di Tokyo Belinda Bencic, sul 5-7 1-2. Agli US Open, da 22ª testa di serie, viene eliminata da Sara Sorribes Tormo per 2-6 6(3)-7. Non disputa più alcun torneo e chiude la stagione al numero 32 del mondo.
2022: infortuni ed uscita dalla top 100 Dopo aver saltato la trasferta australiana a causa di un infortunio, Muchová torna in campo a Miami: batte la connazionale Tereza Martincová, per poi sorprendere la recente finalista dello US Open Leylah Fernandez (6-4, 7-6(3)). Prima di scendere in campo contro Naomi Ōsaka, è costretta a dare forfait per un problema agli addominali. Sulla terra, gioca a Madrid, dove esce al secondo turno contro la top-15 Belinda Bencic in tre set. Dopo un primo turno a Roma, partecipa al Roland Garros, suo primo appuntamento Slam stagionale: qui elimina Carole Monnet e poi la numero tre del ranking Maria Sakkarī. Per la ceca si tratta della sesta vittoria in carriera su una top-10 e il secondo terzo turno nel torneo consecutivo. Nella circostanza, nella sfida contro Amanda Anisimova, è costretta al ritiro nel corso del terzo parziale a causa di una caduta.
Dopo due uscite premature a Berlino e Wimbledon, allo US Open viene sconfitta subito da Tomljanović. A Tallinn, Muchová centra il primo quarto di finale stagionale, dove si arrende alla padrona di casa Kaia Kanepi al tie-break del terzo set; a Ostrava cede al secondo turno a Caty McNally. Termina la stagione fuori dalla top 100, al numero 149 del mondo.
2023: finale al Roland Garros, semifinale allo US Open e top ten, infortunio al polso Inizia l'anno ad Auckland, dove giunge ai quarti di finale, cedendo alla qualificata Rebeka Masarova. All'Australian Open, dopo il successo su Lesja Curenko, si arrende alla finalista in carica Danielle Collins. A Doha esce al secondo turno contro la numero 5 del mondo Caroline Garcia, mentre a Dubai batte Bernarda Pera, Sorana Cîrstea e la top 10 Bencic agli ottavi; nei quarti è costretta al walkover prima di scendere in campo contro Jessica Pegula. A Indian Wells elimina la connazionale Markéta Vondroušová, centrando così un altro quarto di finale stagionale di livello 1000, in cui cede a Elena Rybakina, futura campionessa del torneo. A Miami, dopo aver superato le qualificazioni, si arrende terzo turno alla romena Cîrstea. Sulla terra, dopo il secondo turno di Madrid, raggiunge gli ottavi a Roma, dove perde da Paula Badosa.