2004年出演《月影风荷》中的女主角踏入演艺圈。之后相继参演了《射雕英雄传》、《仙剑奇侠传三》等影视作品。2011年,因饰演《步步惊心》中的马尔泰·若曦一角而受到了广泛关注,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,主演电视剧《轩辕剑之天之痕》。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”。
刘诗诗出生于北京市宣武区(已并入西城区)的一个回族家庭,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。由于母亲喜欢芭蕾的缘故,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。
2007年元旦前后,大学毕业半年后签约上海唐人电影制作有限公司。使得非表演系科班出身的刘诗诗逐渐积累起了大量的表演经验,正式由一名舞者转行成为一个职业演员,开始在影坛崭露头角。