2002年，考入北京舞蹈学院芭蕾舞专业本科班学习。2004年，因在 现代剧《月影风荷》中饰演女主角叶风荷而踏入演艺圈。2010年，凭借仙侠剧《仙剑奇侠传三》受到更多关注。2011年，因在宫廷剧《步步惊心》中饰演马尔泰·若曦而赢得颇高人气，并获得第十八届上海电视节白玉兰奖“最具人气女演员奖”等奖项。而她在第九届金鹰电视艺术节上则成为了金鹰节历史上的第四位金鹰女神。 2013年，在“新生代四小花旦”评选活动中，刘诗诗与其她三位女演员共同被评为内地新“四小花旦”。2015年1月20日，刘诗诗与吴奇隆登记结婚。2016年，刘诗诗凭借古装剧《女医·明妃传》获得上海电视剧制播年会暨首届中国电视剧品质盛典“年度最具影响力演员奖”。2016年12月，确认离开唐人电影公司。

2017年3月3日，参演的电视剧《黎明决战》在东方卫视、北京卫视首播。