2010年12月6日,由刘诗诗主演的穿越剧《步步惊心》开拍。2011年9月10日,该剧在湖南卫视首播。据中国安徽网络电视台2012年9月21日数据显示,播出首日以高达36万的百度指数超之前的《宫锁心玉》3倍,突破200万大关,《步步惊心》曾排在百度风云榜“七日关注”第一名,“热门搜索”第一名,在“电视剧搜索排行榜”中更是力压《新还珠格格》和新《水浒传》,排在第一名的位置。播出期间,卫视的收视达到1.72%,一直稳居同时间段卫视频道电视剧的收视冠军,收视一路飘红,百度贴吧一周搜索量高达370万次。《步步惊心》经搜狐视频独家年度首播后,截止2011年9月29日点网络击量近3亿。《步步惊心》不但获得了韩国首尔国际电视节“最受欢迎海外电视剧”大奖,还在“2012年韩国内人气电影与电视剧”评选中,居“best海外电视剧”中的首位。刘诗诗借此人气飙升,该剧也成为她的代表之作。刘诗诗还凭借《步步惊心》获得了2012华鼎奖“最受媒体欢迎女演员”奖,第二届中国大学生电视节“最受喜爱电视剧女演员”,第十八届上海电视节白玉兰奖“最具人气女演员奖”,以及第六届腾讯星光大典“内地年度女演员”一系列奖项。
2012年,凭借《步步惊心》人气大增的刘诗诗,尝试多方面发展,除了首次献唱电视剧插曲《等你的季节》外,也不再只专于古装剧,接拍了自己出道以来的首部现代剧《天使的幸福》和首部电影《下一个奇迹》。同年,还接拍了《大漠谣》(后更名为《风中奇缘》)、《轩辕剑之天之痕》及《精忠岳飞》多部电视剧;同时还主演了电影《伤心童话》、《回到爱开始的地方》(曾用名《爱的季节》)和《不二神探》。