2004年因为出演《月影风荷》中的女主角叶风荷而踏入演艺圈。[2-4] 之后相继参演了《射雕英雄传》[5] 、《仙剑奇侠传三》等影视作品，开始受到观众关注。2011年，因饰演《步步惊心》中的马尔泰·若曦一角使她受到了广泛关注，凭借在该片中的表现，她在第九届金鹰电视艺术节网络票选活动中被评为“金鹰女神”[6] ，并获得第二届中国大学生电视节“好受喜爱电视剧女演员”奖[7] 。2012年，因主演《轩辕剑之天之痕》再度使刘诗诗受到众人关注。[8]
自2012年始，刘诗诗将重心在一定程度上转向了大银幕，与文章、李连杰主演了动作喜剧片电影《不二神探》，与台湾影星张震主演了古装武侠电影《飞鱼服绣春刀》，与三浦春马和张孝全主演了悬疑爱情电影《深夜前的五分钟》。[5] [10]
2013年初，在《南都娱乐周刊》的“四小花旦”评选活动中，刘诗诗与Angelababy、杨幂及倪妮被评为内地新“四小花旦”。[11]
2015年01月11日，由刘诗诗主演的公安反特大戏《黎明决战》日前开机，刘诗诗在剧中饰演女特工“宋红菱”。