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2004年，因在愛情劇《月影風荷》中飾演女主角葉風荷而踏入演藝圈 [1]。2010年，憑借仙俠劇《仙劍奇俠傳三》受到更多關注 [2]。2011年，因在宮廷劇《步步驚心》中飾演馬爾泰·若曦而贏得頗高人氣，並獲得第18屆上海電視節白玉蘭獎最具人氣女演員獎 [3]。2012年，憑借仙俠劇《軒轅劍之天之痕》獲得國劇盛典年度最具人氣女演員獎 [4]；同年，她還擔任第九屆金鷹電視藝術節的金鷹女神，成為金鷹節曆史上的第四位金鷹女神 [5]。
2013年，成為內地新“四小花旦” [6]。2014年，憑借懸疑推理愛情電影《深夜前的五分鍾》提名第6屆澳門國際電影節最佳女主角 [7]。2016年，憑借古裝劇《女醫·明妃傳》獲得首屆中國電視劇品質盛典年度最具影響力演員 [9]。2017年，其領銜主演的古裝奇幻權謀劇《醉玲瓏》播出 [10]；同年，她還主演了犯罪懸疑電影《心理罪之城市之光》 [11]。2019年，主演的現代都市情感劇《如果可以這樣愛》播出 [12]。2020年，主演的都市情感勵誌劇《親愛的自己》及年代情感劇《流金歲月》相繼播出 [85] [87]；同年，她名列《2020福布斯中國名人榜》第29位 [13-14]。2021年，參加《偉大征程》慶祝中國共產黨成立100周年文藝演出 [131]；同年，還參演了曆史劇情電影《1921》 [88]。2023年，主演的古裝傳奇公路劇《一念關山》播出。
1987年，劉詩詩出生於北京市。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 [15]，母親又喜歡芭蕾，於是她6歲便開始在中央芭蕾舞團業餘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，並開始了住校生活。
2002年，在結束了五年的中專學習後，年僅15歲的她憑借自身紮實的芭蕾基礎順利考入北京舞蹈學院芭蕾舞係，學習芭蕾舞專業 [16]。由於身體條件所限，她逐漸放棄了最初成為芭蕾舞者的夢想，打算在畢業後成為一名芭蕾舞老師 [17-18]。
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，原本隻是去麵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。而為了好聽和便於記憶，導演平江鎖金還特意將她的藝名取為“劉詩詩” [19]。
2006年9月7日，出演平江鎖金導演的作品《飛花如蝶》，並在劇中飾演棋兒 [20-21]；隨後，她還參演了古裝劇《少年楊家將》，在劇中飾演民間醫女、楊家四媳婦羅氏女 [22-23]；10月，她主演的愛情懸疑劇《月影風荷》播出，在劇中飾演了單純天真、身世坎坷的女主角葉風荷，出於劇情的需要，該劇總導演平江鎖金還為她加了芭蕾舞《天鵝湖》選段 [24]；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後》，並在片中飾演峨眉三英四秀之一孫秀青。
2007年元旦前後，大學畢業半年的劉詩詩通過參演唐人公司的係列電視劇，被上海唐人電影製作有限公司的總裁蔡藝儂看中，簽約了唐人電影公司。同時，也使得非表演係科班出身的她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 [25]；7月17日，與眾多藝人共同主演了古裝玄幻愛情劇《聊齋奇女子》，並在第二單元《辛十四娘》中飾演心地善良、行善積德以修道成仙為誌的女主角辛十四娘，該劇播出後打破了四川衛視年度收視紀錄 [26-29]。