劉詩詩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 [17]  ，母親又喜歡芭蕾，于是她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，劉詩詩考上北京藝術學校（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 [18]  。

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 [18]  。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 [19-21]  。

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，由此接拍了人生的第一部影視作品，從而開始了自己的演藝之路。而為了好聽和便于記憶，導演平江鎖金還特意將她的藝名取為“劉詩詩” [22]  。

《射雕英雄傳》劇照(34張)

2006年9月7日，劉詩詩出演了平江鎖金導演的另一部作品《飛花如蝶》，并在劇中飾演棋兒 [23-24]  ；隨后，她還參演了古裝劇《少年楊家將》，劉詩詩在劇中飾演民間醫女、楊家四媳婦羅氏女 [25-26]  ；10月，其主演的愛情懸疑劇《月影風荷》播出，她在劇中飾演了單純天真、身世坎坷的女主角葉風荷，出于劇情的需要，該劇總導演平江鎖金還為劉詩詩加了芭蕾舞《天鵝湖》選段 [27]  ；同年，她還參演了兩部數字電影《陸小鳳傳奇之大金鵬王》和《陸小鳳傳奇之決戰前后》，并在片中飾演峨眉三英四秀之一孫秀青。

《聊齋奇女子》劇照(29張)

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[28]  ；7月17日，劉詩詩與眾多藝人共同主演了古裝玄幻愛情劇《聊齋奇女子》，并在第二單元《辛十四娘》中飾演心地善良、行善積德以修道成仙為志的女主角辛十四娘，該劇播出后打破了四川衛視年度收視紀錄 [29-32]  。

2009年2月2日，與胡歌、林依晨、袁弘合作出演的古裝武俠劇《射雕英雄傳》上星播出，她在劇中飾演了個性堅強的穆念慈 [33-35]  。

電視劇《仙劍奇俠傳三》劇照(34張)

2010年1月25日，由劉詩詩出演的古裝神話劇《白蛇后傳》播出，而她則在劇中飾演了才貌雙絕的畫中仙尹雙雙 [36-37]  ；2月14日，與胡歌、霍建華、楊冪等聯袂主演的仙俠劇《仙劍奇俠傳三》上星播出，而她則在劇中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，該劇在播出后則以平均收視率百分之1.245的成績取得全國同時段電視劇收視第一，劉詩詩個人也因此獲得了更多關注 [38-39]  ；7月12日，其參演的古裝武俠劇《倚天屠龍記》上星播出，她在劇中飾演了楊過與小龍女的后人黃衫女子 [40]  ；8月14日，她參演的女性情感勵志劇《天涯織女》首播，其在劇中飾演清新可人、甜美的刁蠻公主趙嘉儀 [41-42]  。

電視劇《步步驚心》劇照(46張)

2011年1月1日，與霍建華聯袂主演的古裝武俠劇《怪俠一枝梅》上星播出，她在劇中飾演了個性爽朗、酷帥傲氣的燕三娘，該劇播出后各大視頻網站點擊率排名第一 [43-44]  ；9月10日，劉詩詩領銜主演的古裝宮廷劇《步步驚心》在湖南衛視首播，她在劇中飾演了意外回到康熙年間的乾清宮領頭女官馬爾泰·若曦，還首次獻唱電視劇片尾曲《等你的季節》，該劇在播出期間一直穩居全國同時段收視率冠軍的位置，同時也獲得了近3億次的網絡播放量，劉詩詩個人則憑借該劇獲得第18屆上海電視節白玉蘭獎互聯網觀眾票選最具人氣女演員、華鼎獎最受媒體歡迎女演員、第6屆騰訊星光大典內地年度女演員以及第2屆中國大學生電視節最受喜愛電視劇女演員等多個獎項 [3]  [45-50]  。

《軒轅劍之天之痕》劇照(12張)

2012年，劉詩詩嘗試多方面發展，將重心轉向了大銀幕；3月31日，由她參演的勵志電影《下一個奇跡》上映，而其則在片中飾演了單純而又美麗的女孩李佳怡，這是她的首部大熒幕作品 [51-52]  ；7月，劉詩詩主演的古裝玄幻仙俠劇《軒轅劍之天之痕》在湖南衛視首播，她在劇中飾演了活潑聰明、重情重義的北方撻拔族二公主撻拔玉兒，該劇播出后則以平均收視率百分之1.617，市場份額百分之7.16的成績取得全國同時段電視劇收視第一，截止8月31日數據統計，此劇網絡播放量突破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，而劉詩詩則憑借該劇獲得國劇盛典年度最具人氣女演員獎 [4]  [53]  ；9月14日，其主演的愛情電影《傷心童話》全國公映，她則在片中飾演性格溫和、喜愛文字的都市白領楊佳 [54-55]  ；同年，劉詩詩還擔任第九屆金鷹電視藝術節的金鷹女神，成為金鷹節歷史上的第四位金鷹女神 [5]  [56]  。

2013年1月21日，劉詩詩在《南都娛樂周刊》舉辦的新生代四小花旦的評選活動中共同當選為新“四小花旦”，而她在評選中則獲得了70分的最高綜合分 [6]  ；隨后，她在福布斯中國名人榜中從前一年的第99位升至第57位 [57-58]  ；6月21日，與文章、李連杰合作主演的動作喜劇片《不二神探》全國公映，劉詩詩在片中飾演了善良努力、對藝術心懷夢想的女演員劉金水，該片上映三天票房便破億，總票房則達到了近3億人民幣的成績 [59]  ；7月4日，與黃曉明、吳秀波、林心如合作出演了古裝傳奇劇《精忠岳飛》，并在劇中飾演了楚楚動人、溫婉嫻靜的高寵之妻楊氏 [60]  ；8月23日，其主演的文藝電影《回到愛開始的地方》在大陸上映，她在片中飾演了旅游雜志編輯紀雅清 [61-62]  。

《繡春刀》電影海報(16張)

2014年4月22日，繼續主演步步驚心系列《步步驚情》，而她則在劇中一人分飾兩角，分別飾演了平面設計師張曉和驕傲成熟、嫵媚的模特兒藍蘭，該劇播出后則以平均收視率百分之1.1899，市場份額百分之3.356的成績取得全國同時段電視劇收視第一 [63-65]  ；隨后，劉詩詩在福布斯中國名人榜中繼續保持上升，排名第25位 [66]  ；6月4日，其主演的古裝勵志喜劇《犀利仁師》上星播出，她在劇中飾演了女漢子路云霏 [67]  ；8月7日，與張震合作主演的浪漫武俠電影《繡春刀》于中國內地上映，她在片中飾演了出淤泥而不染的教坊司姑娘周妙彤，該片首映當天便取得了850萬的票房 [68-69]  ；10月1日，其主演的古裝劇《風中奇緣》首播，而她則在劇中飾演了灑脫不羈、敢愛敢恨的大漠狼女莘月 [70]  ；10月2日，由劉詩詩領銜主演的懸疑推理愛情電影《深夜前的五分鐘》于釜山國際電影節全球首映，她在片中再次一人分飾兩角，分別飾演了神秘憂郁的專欄作家若藍和活潑開朗的大明星如枚，同時，她還憑借該片提名第6屆澳門國際電影節最佳女主角，該片于2014年10月23日在中國大陸全面上映，12月27日在日本首映 [7]  [71]  。

《女醫明妃傳》劇照(9張)

2015年5月，劉詩詩在福布斯中國名人榜中排名第30位 [72]  。

2016年2月13日，由其領銜主演的古裝傳奇勵志劇《女醫·明妃傳》首播，劉詩詩在劇中飾演了堅持用精湛的醫術懸壺濟世的一代知名女國醫譚允賢，該劇播出后則以平均收視率百分之2.007，市場份額百分之5.118的成績取得全國同時段電視劇收視第一，而她則憑借該劇獲得首屆中國電視劇品質盛典年度最具影響力演員 [9]  [73-75]  ；5月10日，都市青春勵志劇《那年青春我們正好》首播，劉詩詩在劇中飾演溫婉秀麗的校園女學霸劉婷 [76]  ；11月18日，獲得百度娛樂年度人物獎 [77]  ；12月底，劉詩詩與唐人合約到期，并宣布不再續約 [78] 。