北舞期间
2004年10月，刘诗诗在北京舞蹈学院读大三，《月影风荷》剧组到学校挑演员，原本只是去面试现场看热闹的她被意外选中，由此开始了自己的演艺之路，接拍了人生的第一部电视剧《月影风荷》。出于剧情的需要，还为刘诗诗夺身定做加了经典芭蕾舞——《天鹅湖》选段，显示了她的特长。导演平江锁金特意其艺名取为“刘诗诗”。
2005年，平江锁金让刘诗诗主演了自己的另一部作品《飞花如蝶》，在剧中饰演棋儿。之后，还参演了两部电影——《陆小凤传奇之大金鹏王》和《陆小凤传奇之决战前后》中的孙秀青。
2006年3月5日，大型古装题材电视剧《少年杨家将》开拍，刘诗诗在剧中饰演温柔贤淑“罗氏女”。
2006年7月开拍的2006版《射雕英雄传》由于胡歌遭遇车祸而无法进行《拍摄工作， 8月31日剧组正式被迫停工。2007年8月31日，《射雕英雄传》正式复拍。该剧于2008年9月18日晚正式亮相江苏综艺频道。刘诗诗在《射雕英雄传》中饰演“穆念慈”，她也因主演此剧而广受关注。
2006年12月，《聊斋奇女子》开拍，在剧中刘诗诗一改往日给人留下的柔弱形象，在最具青春气息的第二单元《辛十四娘》中挑大梁，化身为狐仙辛十四娘。长袖善舞的刘诗诗在剧中还发挥所学优势自编了一段群舞，这段剧情在播出时广受观众好评，被誉为《辛十四娘》的点睛之笔。该剧在播出后，百度贴吧中刘诗诗等主演的《辛十四娘》单元在“你最喜欢哪个单元”的投票调查中，以40.6%的票数位居第一。该剧在四川卫视播出时打破了2007年的收视纪录。
唐人时期
2007年元旦前后，大学毕业半年的刘诗诗经过参演唐人公司的的系列电视剧，被上海唐人电影制作有限公司的总裁蔡艺侬看中，刘诗诗签约了唐人电影公司。同时，也使得非表演系科班出身的刘诗诗逐渐积累起了大量的表演经验，正式由一名舞者转行成为一个职业演员，开始在影坛崭露头角。
2008年，上海唐人电影公司宣布于8月开始拍摄电视剧《仙剑奇侠传三》。在该剧中刘诗诗饰演关注的焦点之一，并且具有双重性格的龙葵——温柔文雅的“蓝葵”和刁蛮泼辣的“红葵”。
2009年，随着《仙剑奇侠传三》正式播出，刘诗诗凭借自己出色的表现，打消了观众的疑虑，刘诗诗因此逐渐走红，并且为自己吸引了更多的粉丝。也获得了更多演出机会。《仙剑三》还未杀青，刘诗诗就接到《倚天屠龙记》剧组的邀约，在《仙剑三》杀青第二天飞往武当山，进行了《倚天屠龙记》定妆试戏工作。在《倚天屠龙记》中，刘诗诗饰演“黄衫女子”——杨过与小龙女的后人。尽管刘诗诗出演的这个角色在《倚天屠龙记》中出场戏份不多，但每一次露面都不寻常，是倚天中的神秘角色，被誉为“最美黄衫女子”。同年，刘诗诗接拍了电视剧《白蛇后传》，在剧中刘诗诗饰演女主角诗妓“尹双双”。
2009年12月16日，电视剧《天涯织女》(原名《衣被天下》)开拍。其刘诗诗选择饰演剧中的“刁蛮公主”赵嘉仪。继“康慈恋”之后，刘诗诗再度和袁弘搭档出演“情侣”。该剧在台湾首播拿下开门红的收视佳绩。还在西安、南宁等地持续热播，成为网络下载的热门剧集。
2010年5月，新概念武侠剧《怪侠一枝梅》开拍，刘诗诗与台湾小生霍建华搭档，在该剧中主演“燕三娘”。
2010年12月6日，由刘诗诗主演的穿越剧《步步惊心》开拍。
2011年1月，《怪侠一枝梅》在卫视播出火热，各大视频网站也是点击率第一，成为最具人气和话题的开年大戏，一举成为网络搜索第一的热门电视剧。刘诗诗因独特气质而获导演赏识。同时成为改编自热门小说的清穿大戏《步步惊心》的女主角。两部大戏均颇受好评及关注，刘诗诗的人气飙升，网络搜索风云榜排名急升至前三位。
2011年9月10日，《步步惊心》在湖南卫视首播。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。《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，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《星月传奇》)、《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》。
2012年7月，玄幻武侠剧《轩辕剑之天之痕》在湖南卫视首播。首播两晚平均收视率高达1.86%，为同时段排名中国第一。同时，作为国内首次周播剧试水，截止2012年7月20日，《轩辕剑之天之痕》连续数周登上百度风云榜之电视剧排行榜榜首之位。在横跨两个月，长达9周播出过程中，《轩辕剑》收视始终位居同时段全国首位，9月1日大结局当天，《轩辕剑》在全国网中以1.82的收视率、11.54%的超高收视份额再度夺冠。
2012年9月7日，第九届金鹰电视艺术节开幕，刘诗诗凭借《步步惊心》、《轩辕剑之天之痕》所带来的超高人气，担任了该届金鹰电视艺术节的“金鹰女神”，是继刘亦菲、李小璐、王珞丹之后，金鹰节历史上的第四位金鹰女神。
2013年6月21日，由刘诗诗等主演的悬疑动作喜剧电影《不二神探》全国公映，刘诗诗饰演女主角刘金水，也是整个故事即“微笑死亡事件”的核心主线人物。该片与好莱坞巨片—《超人：钢铁之躯》同期上映，但仍然取得了公映三天票房近亿元，最终票房近3亿元的成绩。该片也是刘诗诗首次担任大制作商业电影的女一号。
在2014年5月4日《福布斯》中文版公布的“2014福布斯中国名人榜”中，刘诗诗继2013年之后继续保持上升势头，排名第25。
2014年10月1，由刘诗诗、彭于晏、胡歌主演的古装剧集《风中奇缘》登陆湖南卫视《钻石独播剧场》。
