2004年10月，本打算做芭蕾舞老師的劉詩詩在北京舞蹈學院讀大三，《月影風荷》劇組到學校挑演員，原本只是去面試現(xiàn)場看熱鬧的她被意外選中，由此開始了自己的演藝之路。在見過該劇總導演平江鎖金之后，劇組決定由劉詩詩出演女主角“葉風荷”，她接拍了人生的第一部電視劇《月影風荷》，出于劇情的需要，還為劉詩詩加了芭蕾舞《天鵝湖》選段 ?。為了好聽和便于記憶，導演平江鎖金特意將她的藝名取為“劉詩詩” ?。

　　2005年，平江鎖金還讓劉詩詩主演了自己的另一部作品《飛花如蝶》，在劇中飾演棋兒 ?。

　　2006年，劉詩詩參演了兩部電影《陸小鳳傳奇之大金鵬王》和《陸小鳳傳奇之決戰(zhàn)前后》在影片中飾演孫秀青。3月5日，《少年楊家將》開拍，劉詩詩在劇中飾演“羅氏女” ?。同年7月參演2006版《射雕英雄傳》，在拍攝期間胡歌遭遇車禍而無法進行該劇拍攝工作， 8月31日劇組正式被迫停工。2007年8月31日正式復拍。該劇于2008年9月18日在江蘇綜藝頻道首播。劉詩詩飾演“穆念慈”，因此劇而受到關(guān)注 ? ?。

　　2006年12月，《聊齋奇女子》開拍，劉詩詩在第二單元《辛十四娘》飾演女主角辛十四娘 ?。據(jù)新浪網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，該劇在四川衛(wèi)視播出時打破了2007年的收視紀錄 ?。

　　2007年元旦前后，大學畢業(yè)半年的劉詩詩通過參演唐人公司的系列電視劇，被上海唐人電影制作有限公司的總裁蔡藝儂看中，劉詩詩簽約了唐人電影公司。同時，也使得非表演系科班出身的劉詩詩逐漸積累起了大量的表演經(jīng)驗，正式由一名舞者轉(zhuǎn)行成為一個職業(yè)演員。

　　2008年8月，劉詩詩在電視劇《仙劍奇?zhèn)b傳三》飾演具有雙重性格的龍葵，一個是溫柔文雅的“藍葵”和另一個是刁蠻潑辣的“紅葵”。演技得到了鍛煉。《仙劍奇?zhèn)b傳三》還未殺青，劉詩詩就接到《倚天屠龍記》劇組的邀約，在《仙劍奇?zhèn)b傳三》殺青第二天飛往武當山，進行了《倚天屠龍記》定妝試戲工作。在《倚天屠龍記》中，劉詩詩飾演楊過與小龍女的后人“黃衫女子” ?。

　　2009年，劉詩詩接拍了電視劇《白蛇后傳》，在劇中劉詩詩飾演女主角詩妓“尹雙雙” ?。同年12月16日，電視劇《天涯織女》（原名《衣被天下》 ?）開拍 ?。劉詩詩選擇飾演“刁蠻公主”趙嘉儀。該劇的總導演李國立起初有意讓劉詩詩出演“黃巧兒”。劉詩詩在看完劇本后很喜歡“嘉儀公主”便選擇了她 ?。

　　2010年5月，武俠劇《怪俠一枝梅》開拍，劉詩詩與霍建華搭檔，在該劇中主演“燕三娘” ?。2011年1月，《怪俠一枝梅》在衛(wèi)視播出，各大視頻網(wǎng)站點擊率排名第一 ?。

　　2010年12月6日，由劉詩詩主演的穿越劇《步步驚心》開拍 ?。

　　2011年9月10日，該劇在湖南衛(wèi)視首播。據(jù)中國安徽網(wǎng)絡(luò)電視臺2012年9月21日數(shù)據(jù)顯示，播出首日百度指數(shù)為36萬。衛(wèi)視的收視為1.72%，一直穩(wěn)居同時間段衛(wèi)視頻道電視劇收視冠軍 ?。《步步驚心》經(jīng)搜狐視頻獨家年度首播后，截止2011年9月29日點網(wǎng)絡(luò)擊量近3億 ?。該劇成為她的代表之作。劉詩詩憑借《步步驚心》獲得了2012華鼎獎“最受媒體歡迎女演員”獎，第二屆中國大學生電視節(jié)“最受喜愛電視劇女演員”，第十八屆上海電視節(jié)白玉蘭獎“最具人氣女演員獎”，以及第六屆騰訊星光大典“內(nèi)地年度女演員” ? ?。

　　2012年，劉詩詩嘗試多方面發(fā)展，除了首次獻唱電視劇插曲《等你的季節(jié)》外，也不再只專于古裝劇，接拍了自己出道以來的首部現(xiàn)代劇《天使的幸福》和首部電影《下一個奇跡》。同年，還接拍了《大漠謠》（后更名為《風中奇緣》）、《軒轅劍之天之痕》及《精忠岳飛》多部電視劇；同時還主演了電影《傷心童話》、《回到愛開始的地方》（曾用名《愛的季節(jié)》 ?）和《不二神探》。7月，《軒轅劍之天之痕》在湖南衛(wèi)視首播。在橫跨兩個月，長達9周播出過程中，《軒轅劍之天之痕》收視始終位居同時段全國首位，截止8月31日數(shù)據(jù)統(tǒng)計，《軒轅劍之天之痕》網(wǎng)絡(luò)播放量突破20億，成為史上第9部網(wǎng)絡(luò)點擊播放總量超過20億的電視劇。此劇是第一部在國產(chǎn)電視劇市場實行“周播劇”的電視劇 ?。同年9月7日，第九屆金鷹電視藝術(shù)節(jié)開幕，劉詩詩憑借《步步驚心》、《軒轅劍之天之痕》擔任了該屆金鷹電視藝術(shù)節(jié)的“金鷹女神”，是繼劉亦菲、李小璐、王珞丹之后，金鷹節(jié)歷史上的第四位金鷹女神 ?。

　　2013年1月21日，新生代四小花旦結(jié)果于出爐：劉詩詩和楊穎、楊冪以及倪妮獲選 ?。4月23日《福布斯》中文版推出“2013福布斯中國名人榜”，劉詩詩的排名較2012年有所上升，排名第57 ?。同年6月21日，由劉詩詩首次主演的懸疑動作喜劇電影《不二神探》全國公映，劉詩詩飾演女主角劉金水。該片取得了公映三天票房近億元，最終票房近3億元的成績 ?。

　　2014年03月26日，劉詩詩參演由唐人電影、新麗傳媒聯(lián)合出品的古裝傳奇勵志劇《女醫(yī)·明妃傳》，劉詩詩與霍建華再次合作，飾演一代女醫(yī)“談允賢” ?。5月4日《福布斯》中文版公布的“2014福布斯中國名人榜”中，劉詩詩繼2013年之后繼續(xù)保持上升，排名第25 ?。同年8月7日，由劉詩詩等主演的《繡春刀》于中國內(nèi)地上映。首映當天取得了850萬的首日票房 ?。10月2日，由劉詩詩等主演的電影《深夜前的五分鐘》于釜山國際電影節(jié)全球首映，并且于2014年10月23日在中國大陸全面上映，12月27日在日本首映。

　　2015年01月11日，由劉詩詩主演的公安反特電視劇《黎明決戰(zhàn)》開機，劉詩詩與王千源再次合作，在劇中飾演女特工“宋紅菱”。

　　2016年2月13日，由劉詩詩與霍建華主演的《女醫(yī)·明妃傳》在中國內(nèi)地上映，劇情受到關(guān)注的同時，劇中大量醫(yī)學名詞、藥方的使用，都受到網(wǎng)友們的關(guān)注 ?。以收視率5.118%居首位收官。

　　劉詩詩出生于北京市宣武區(qū)（已并入西城區(qū)）的一個回族家庭，祖父是西河大鼓演員劉田利，父母都曾是工廠工人，后母親因健康原因內(nèi)退，而父親則下海經(jīng)商。小時候家人曾主張讓她向袁闊成學習評書，袁闊成認為女孩不適合說評書，建議她學舞蹈、表演 ?，母親又喜歡芭蕾，于是劉詩詩6歲便開始在中央芭蕾舞團業(yè)余舞蹈學校學習芭蕾舞，小學四年級時考上北京藝術(shù)學校（現(xiàn)北京戲曲藝術(shù)職業(yè)學院），從普通小學進入北京藝術(shù)學校中專部進行專業(yè)芭蕾舞訓練，并開始了住校生活 ?。

　　2002年，在結(jié)束了五年的中專學習后，年僅15歲的劉詩詩憑借自身扎實的芭蕾基礎(chǔ)順利考入北京舞蹈學院芭蕾舞系 ?。由于身體條件所限，她逐漸放棄了最初成為芭蕾舞者的夢想，打算在畢業(yè)后成為一名芭蕾舞老師 ?。