Sebagai perwakilan Jepang dalam kontes Miss Universe 2007, Mori melakukan perjalanan ke Mexico City, Mexico pada awal Mei untuk berpartisipasi dalam acara selama empat minggu, latihan dan kompetisi pendahuluan dengan 77 delegasi lainnya.[6]
Dalam kompetisi final yang disiarkan secara internasional pada 28 Mei 2007, Mori diumumkan sebagai salah satu dari 15 semifinalis yang akan maju untuk memperebutkan gelar. Dia mencapai skor tertinggi dalam kompetisi pakaian renang, yang membawanya ke sepuluh besar dan kompetisi gaun malam, di mana dia menempati posisi keempat. Mori mengenakan gaun malam hitam/floral yang terinspirasi kimono yang berasal dari koleksi Musim Semi/Musim Panas 2007 Gucci.
Di babak terakhir, Mori ditanyai oleh direktur majalah mode Elle dan Project Runway Nina Garcia untuk berbicara tentang satu pelajaran yang dia pelajari sebagai seorang anak yang masih mempengaruhi hidupnya. Mori mengatakan bahwa sejak kecil dia telah menari dan karenanya dia selalu dikelilingi oleh siswa dan guru. Karena interaksi dengan mereka, dia belajar untuk selalu bahagia, sabar, dan positif dalam hidupnya. Dia juga mengungkapkan keinginannya untuk mengajarkan asas-asas ini kepada generasi berikutnya.
Di akhir kompetisi, ia dinobatkan sebagai Miss Universe, menjadi wanita kedua dari Jepang yang memegang gelar tersebut. Pemenang Miss Universe pertama dari Jepang adalah Akiko Kojima pada tahun 1959. Mori adalah wanita Asia kesebelas yang memenangkan kontes tersebut.
Mori adalah wanita Jepang ketiga yang masuk lima besar di Miss Universe dalam dekade terakhir. Miyako Miyazaki menempati posisi runner-up keempat di Miss Universe 2003, dan pendahulu Mori Kurara Chibana menjadi runner-up pertama pada tahun 2006. Mori bertujuan untuk menggunakan kesuksesan dan popularitasnya sebagai batu loncatan untuk tujuan kemanusiaan. "Saya pikir saya memiliki jiwa samurai, saya sangat sabar, dan saya bisa melayani orang lain."[7] Pada Mei 2008, Mori telah melakukan perjalanan ke Indonesia, Spanyol, Bahama, St. Kitts dan Nevis, Tiongkok, Meksiko, Kanada, Jerman, Vietnam, Prancis, Monako, San Marino, Rusia dan Italia di samping berbagai perjalanan dan kepulangannya ke Jepang. Dia juga mengunjungi berbagai kota di Amerika Serikat.
Dalam wawancara berikutnya tentang masa depannya, pemegang gelar baru mengungkapkan rencana untuk membuka sekolah tari multikultural di Tokyo. Dia juga mengungkapkan antusiasmenya tentang audisinya untuk peran Yaeko di serial televisi Amerika Heroes.
Mori muncul di program reality show VH1 Jessica SimpsonThe Price of Beauty pada tahun 2010 untuk menunjukkan standar kecantikan di negara asalnya, Jepang.
