Do światowej czołówki dostała się w sezonie 2004, występując w trzech finałach turniejów WTA. W Acapulco przegrała z Ivetą Benešovą, a w Palermo z Anabel Mediną Garrigues. Jednak w sierpniu w Sopocie to Pennetta odniosła zwycięstwo. W półfinale wygrała z Martą Domachowską, a w finale Klárę Koukalovą i po raz pierwszy została mistrzynią w gronie profesjonalnych tenisistek. Sezon zakończyła na czterdziestym miejscu listy WTA.
Kolejne zwycięstwa zanotowała również w następnym roku: w lutym 2005 w Bogocie zdobywając kolejny tytuł (finał z Lourdes Domínguez Lino). Wygrała także w Acapulco, wciąż jednak nie potrafiła wygrać z zawodniczkami z czołówki światowej. W czwartej rundzie Wimbledonu została wyeliminowała ją Mary Pierce. W sierpniu znalazła się w ćwierćfinale turnieju w Toronto, gdzie do meczu z nią nie przystąpiła Serena Williams. W międzyczasie Flavia wygrała turniej deblowy w Los Angeles, a kilka tygodni później osiągnęła wicemistrzostwo wielkoszlemowe na Flushing Meadows (także w deblu).