2004年，因出演《月影》《風荷》中的女主角葉鳳和而進入演藝圈。之後陸續參演《射雕英雄傳》《仙劍奇俠傳3》等影視作品，開始受到觀眾的關註。2011因出演《如履薄冰》中的瑪泰若希壹角，受到廣泛關註。憑借在該片中的表現，她獲得了第九屆金鷹電視藝術節網絡投票活動中的“金鷹女神”，並獲得了第二屆中國大學生電視節“最受喜愛的電視女演員”獎。2012年，劉詩詩因主演《軒轅劍的痕跡》再次引起人們的關註。
2012以來，劉詩詩在壹定程度上把重心轉向了大銀幕，主演了動作喜劇電影《神探》，與臺灣省影星張震合作了古裝武俠電影《飛魚裝繡春刀》，與、張祖澤合作了懸疑愛情電影《午夜前五分鐘》。
2013年初，劉詩詩、楊穎、楊冪、妮妮被《南方娛樂周刊》評為新的“四小花旦”。