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 ?。據新浪網數據顯示，該劇在四川衛視播出時打破了2007年的收視紀錄 ?。

　　2007年元旦前后，大學畢業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驗，正式由一名舞者轉行成為一個職業演員。

　　2008年8月，劉詩詩在電視劇《仙劍奇俠傳三》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。《仙劍奇俠傳三》還未殺青，劉詩詩就接到《倚天屠龍記》劇組的邀約，在《仙劍奇俠傳三》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》在衛視播出，各大視頻網站點擊率排名第一 ?。

　　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，該劇在湖南衛視首播。據中國安徽網絡電視臺2012年9月21日數據顯示，播出首日百度指數為36萬。衛視的收視為1.72%，一直穩居同時間段衛視頻道電視劇收視冠軍 ?。《步步驚心》經搜狐視頻獨家年度首播后，截止2011年9月29日點網絡擊量近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“最受喜愛電視劇女演員”，第十八屆上海電視節白玉蘭獎“最具人氣女演員獎”，以及第六屆騰訊星光大典“內地年度女演員” ? ?。

　　2012年，劉詩詩嘗試多方面發展，除了首次獻唱電視劇插曲《等你的季節》外，也不再只專于古裝劇，接拍了自己出道以來的首部現代劇《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》 ?）和《不二神探》。7月，《軒轅劍之天之痕》在湖南衛視首播。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日數據統計，《軒轅劍之天之痕》網絡播放量突破20億，成為史上第9部網絡點擊播放總量超過20億的電視劇。此劇是第一部在國產電視劇市場實行“周播劇”的電視劇 ?。同年9月7日，第九屆金鷹電視藝術節開幕，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節的“金鷹女神”，是繼劉亦菲、李小璐、王珞丹之后，金鷹節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、新麗傳媒聯合出品的古裝傳奇勵志劇《女醫·明妃傳》，劉詩詩與霍建華再次合作，飾演一代女醫“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》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·明妃傳》在中國內地上映，劇情受到關注的同時，劇中大量醫學名詞、藥方的使用，都受到網友們的關注 ?。以收視率5.118%居首位收官。

　　劉詩詩出生于北京市宣武區（已并入西城區）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退，而父親則下海經商。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余舞蹈學校學習芭蕾舞，小學四年級時考上北京藝術學校（現北京戲曲藝術職業學院），從普通小學進入北京藝術學校中專部進行專業芭蕾舞訓練，并開始了住校生活 ?。

　　2002年，在結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，打算在畢業后成為一名芭蕾舞老師 ?。