2004年因为出演《月影风荷》中的女主角叶风荷而踏入演艺圈。2008年参演《射雕英雄传》饰演穆念慈，2009年参演《仙剑奇侠传三》饰演龙葵，而被观众所熟知。2011年，因饰演《步步惊心》中的马尔泰·若曦一角使她受到了广泛关注，刘诗诗凭借在该片中的表现，在第九届金鹰电视艺术节网络票选活动中被评为“金鹰女神”，并获得第二届中国大学生电视节“最受喜爱电视剧女演员”奖。2012年，主演《轩辕剑之天之痕》而获好评。 自2012年始，刘诗诗将重心转向了大银幕，主演了动作喜剧电影《不二神探》、2013年主演古装武侠电影《飞鱼服绣春刀》，同年主演了悬疑爱情电影《深夜前的五分钟》。2013年初，在《南都娱乐周刊》的“四小花旦”评选活动中，刘诗诗与Angelababy、杨幂及倪妮被评为内地新“四小花旦”。
刘诗诗是一个敬业、谦虚的演员。伴随着《步步惊心》的播出，刘诗诗赢来事业飘红、人气暴涨。然而没有任何一个人能够随随便便成功，在拍摄《步步惊心》时她很努力，整部剧她有600多场戏，几乎每天都有她的戏，她是剧组最早起最晚收工最辛苦的人。于作品来说，刘诗诗诠释的若曦非常尊重原著。刘诗诗她的气质外形也比较特别，腹中有诗书，举止得体有大将之风，锋芒暗藏，蓄势待发，她看得见自己的道路。她的出现填补了一种影视角色的空白，也迎合了时下的流行需求。作为新一代的花旦，也许她代表了一种新的造星模式。
刘诗诗出生于北京市宣武区（已并入西城区）的一个回族家庭，祖父是西河大鼓演员刘田利，父母都曾是工厂工人，后母亲因健康原因内退，而父亲则下海经商。小时候家人曾主张让她向袁阔成学习评书，袁阔成认为女孩不适合说评书，建议她学舞蹈、表演，母亲又喜欢芭蕾，于是刘诗诗6岁便开始在中央芭蕾舞团业余舞蹈学校学习芭蕾舞，小学四年级时考上北京艺术学校（现北京戏曲艺术职业学院），从普通小学进入北京艺术学校中专部进行专业芭蕾舞训练，并开始了住校生活。2002年，在结束了五年的中专学习后，年仅15岁的刘诗诗凭借自身扎实的芭蕾基础顺利考入北京舞蹈学院芭蕾舞系。由于身体条件所限，她逐渐放弃了最初成为芭蕾舞者的梦想，打算在毕业后成为一名芭蕾舞老师。