Sau gần hai tháng chuẩn bị, Phạm Hương đã chính thức lên đường sang Mỹ vào trưa 2.12.2015 để đại diện Việt Nam chinh chiến tại đấu trường Hoa Hậu Hoàn Vũ 2015. 
Phạm Hương cho biết: “Mỗi ngày thức dậy mình đều ước mơ, đam mê khát khao giành chiến thắng. Đến với cuộc thi mình mong muốn được mang đến những gì thu hút nhất, tốt đẹp nhất của người con gái Việt Nam để giới thiệu với bạn bè năm châu”. 
 Phạm Hương là Hoa hậu được chú ý nhất trong các người đẹp "đem chuông đi đánh xứ người" bởi độ phủ sóng rộng rãi của trên truyền thông và mạng xã hội. Chính vì điều này, ngay trong ngày đầu tiên đặt chân đến nước Mỹ để thi Hoa hậu Hoàn vũ, Phạm Hương đã được truyền thông nước ngoài chú ý.
  Phạm Hương bắt đầu tham gia các hoạt động chính thức của chương trình, thực hiện chụp ảnh và liên tiếp được mời quay phỏng vấn.
Ngay từ ngày đầu Phạm Hương có mặt tại cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ, cô cũng đã được đánh giá khá cao. Hàng loạt trang web uy tín chuyên theo dõi các cuộc thi hoa hậu, đại diện của Việt Nam - Hoa hậu Phạm Hương đứng ở vị trí thứ 2 trong top 5 người đẹp tiềm năng nhất của cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2015. 
Phạm Hương liên tiếp gây ra những cơn sốt truyền thông khi có tên trong các bảng xếp hạng và dự đoán top 15 của các chuyên gia sắc đẹp.

Tại Hoa hậu Hoàn vũ Phạm Hương cũng được đánh giá cao bởi sự tự tin. Cô chủ động chụp ảnh với các đối thủ mạnh tại cuộc thi.  Ngày 6.12 các người đẹp chính thức hội tụ trong buổi tiệc chào đón các thí sinh, đây cũng là thời điểm xuất hiện đầy đủ các thí sinh tham dự cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2015. 

Phạm Hương trong phần chụp hình với bikini. 
Cô được đánh giá là một trong 12 thí sinh mặc bikini đẹp nhất Hoa hậu Hoàn vũ 2015. 
Phạm Hương liên tiếp ghi điểm bởi sự thân thiện, cởi mở, chủ động trò chuyện và làm quen với các thí sinh khác.
Trong ngày các thí sinh Hoa hậu Hoàn vũ chào đón Miss Universe 2014 - Paulina Vega, Phạm Hương được bắt gặp nhanh chân tìm chỗ đứng phía trên. Đã có nhiều tranh cãi về hành động này, nhiều người cho rằng Phạm Hương tự tin, chủ động và tự tìm cơ hội để giúp mình tỏa sáng.
Khoảnh khắc cô nở nụ cười rạng rỡ được truyền thông quốc tế ghi lại.  
 Phạm Hương tự tin đọ sắc cùng Miss Universe 2014.
Nhận được sự ủng hộ của cộng đồng mạng và tạo được hiệu ứng truyền thông, trên các diễn đàn, mạng xã hội. Phạm Hương đã được trao quyền quản lý  Instagram.

 Trong đêm hội bán đấu giá gây quỹ từ thiện, một hoạt động của cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2015, người đẹp Phạm Hương của Việt Nam đã diện chiếc áo dài trắng tinh khôi.
Trong tối 13.12, các thí sinh của cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2015 đã tham gia phần thi tài năng. Phạm Hương đã “gây sốt” truyền thông nước nhà và được khen ngợi của quốc tế tại cuộc thi khi chọn di sản văn hóa phi vật thể - đờn ca tài tử Nam Bộ - ca khúc “Dạ cổ hoài lang” để trình diễn tại cuộc thi. Cô đã góp phần tôn vinh và giới thiệu di sản văn hóa Việt Nam đến bạn bè quốc tế.

Sau những ngày đầu tiên Phạm Hương tham gia cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ , bà Inès Ligron - một nhà thiết kế và chuyên gia nghiên cứu các cuộc thi sắc đẹp nổi tiếng người Pháp bất ngờ đăng tải Liên tục thông tin và hình ảnh của hoa hậu Phạm Hương tại cuộc thi và rồi dành cho cô những lời khen ngợi. Bà Inès Ligron dự đoán đại diện Việt Nam sẽ làm nên chuyện tại cuộc thi năm nay. Và theo nhận định của chuyên gia sắc đẹp người Pháp, Phạm Hương sở hữu số đo thể hình chuẩn không kém các “thiên thần” nội y của Victoria’s Secret. 

Ngày 16.12, Phạm Hương tự tin bước vào phần thi bán kết. Đây là đêm thi quyết định để chọn ra top 15. 
Đêm bán kết cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2015, Hoa hậu Phạm Hương xuất hiện trên sân khấu trong chiếc đầm gắn kim sa tuyệt đẹp và tự tin hô vang hai tiếng "Việt Nam". Người đẹp Việt Nam là người cuối cùng ra chào khán giả và giám khảo 
Phạm Hương trong phần thi trang phục dân tộc. 
Sải bước tự tin, cùng nụ cười tươi tắn, rạng ngời trên môi của Phạm Hương thực sự thu hút sự chú ý của khán giả trong phần trình diễn bikini, dù dáng đi của cô gây ra tranh cãi. 
 Đại diện của Việt Nam trình diễn rất chuyên nghiệp và lôi cuốn, với những sải bước duyên dáng trong phần thi trang phục dạ hội.
Sau đêm bán kết, đại diện Việt Nam vẫn tiếp tục tạo nên cơn sốt truyền thông. 
 Phạm Hương chia sẻ cô tự trang điểm để trình diễn trong các phần thi và lót dạ bằng mì gói sau khi hoàn  thành các phần thi trong đêm bán kết.
 Sau đêm thi bán kết, Phạm Hương tạm dẫn đầu các trang bình chọn. 
 Cô được nhiều chuyên gia sắc đẹp và cựu Hoa hậu Hoàn vũ dự đoán sẽ đăng quang.
Trong đêm chung kết diễn ra sáng 21.12 (giờ Việt Nam) Phạm Hương xuất hiện vài giây ngắn trong phần giới thiệu. Cô diện áo dài thêu lá trúc và chim hạc, vẫy tay chào khán giả. Tuy nhiên, trong đêm chung kết, đại diện Việt Nam không lọt vào top 15 của giám khảo. Kết quả này khiến người hâm mộ tiếc nuối.
Phạm Hương vẫn vô cùng mạnh mẽ dù kết quả không được như kỳ vọng, cô ngồi trong hậu trường kêu gọi khán giả bình chọn cho người đẹp Dominica - người bạn thân thiết của cô tại Hoa hậu Hoàn vũ. Phạm Hương nhanh chóng nhận được sự ủng hộ bởi sự nhiệt tình của cô.  
Phạm Hương cũng khẳng định cô không buồn hay thất vọng sau cuộc thi, vì cô đã chiến thắng bản thân mình và làm hết sức để nhan sắc Việt được tỏa sáng trong mắt bạn bè quốc tế.