2004年因为出演《月影风荷》中的女主角叶风荷而踏入演艺圈。之后相继参演了《射雕英雄传》、《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”,并获得第二届中国大学生电视节“最受喜爱电视剧女演员”奖。2012年,因主演《轩辕剑之天之痕》再度使刘诗诗受到众人关注。
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”。