2004年，劉詩詩還在北京舞蹈學院讀書。有壹天，壹個同學告訴她，《月影風蓮》劇組的導演在學校選演員，石獅就和同學壹起去湊熱鬧。沒想到，她被副局長抓住了，還留了手機號。劇組在見到該劇總導演平江索金後，當即決定由劉詩詩飾演女主角葉鳳和。據說當時為了找壹個合適的演員演葉鳳和，導演去了中戲、北電等很多學校，挑了很多達不到要求的女生。但在校園裏遇到手插在牛仔褲口袋裏的劉詩詩時，她特有的自然清純和高貴氣質，以及和人說話時略帶憂郁的眼神和微微上揚的姿勢，都和劇中的葉鳳和很像。於是，雖然當時劉詩詩沒有表演經驗，但導演還是下定決心，讓這個有著獨特魅力的女孩進入月影。而且平江的索金導演把她原來的名字從“劉詩詩”改成了“劉詩詩”，既好記又充滿了藝術性。之後，是詩歌主演了他的另壹部作品《蝶戀花》。
2007年，劉詩詩簽約上海唐人影業制作有限公司，參演唐人影業出品的系列電視劇——《少年楊家將》、《聊齋怪女》、《射雕英雄傳》。其中辛四娘在《聊齋誌異》中飾演的美麗脫俗善良優雅的小狐妖，驚艷全場。該劇在四川首演，創下全年最高收視紀錄。《射雕英雄傳》雖然歷經波折，但播出時依然備受關註。劉詩詩成功演繹了穆念慈的柔情與癡情，被譽為“史上最純粹的穆念慈”。
2008年，唐人公司宣布將拍攝根據同名電子遊戲改編的電視劇《仙劍奇俠傳3》。仙劍系列遊戲作為中文最經典的RPG之壹，從開拍之初就備受關註。具有雙重人格，在遊戲中最難寫實的龍葵壹角，是遊戲迷最關心的焦點之壹。考慮到劉詩詩氣質高貴典雅，正好符合龍葵飾演姜國公主的氣質，而她溫柔幹練的性格也和龍葵相似，總導演李國立最終選擇了劉詩詩飾演龍葵壹角。蘭魁雖然本色出演，但脾氣暴躁、嫉妒心強、妖媚的洪奎對劉詩詩來說是個不小的挑戰。很多遊戲迷都擔心她演不了壹直扮演弱勢角色的洪奎的暴力宣傳。但隨著《仙劍奇俠傳3》的播出，劉詩詩打消了壹切疑慮，用自己的出色表現為自己吸引了更多的粉絲。
之後劉詩詩吸引了越來越多粉絲的關註，也有越來越多的劇組來找她拍戲。《仙劍三》播出後不久，劉詩詩由張紀中執導，在新版《屠龍記》中飾演楊過和小龍女的後代“黃衣女子”。雖然這個角色在《倚天屠龍記》中只出現過幾次，但每次出場都很驚艷，是《倚天屠龍記》中最神秘的角色。之後劉詩詩陸續接演了《白蛇傳》《天涯織女》《奇人》等熱播劇。
2011 9月10日，由劉詩詩、吳奇隆、鄭嘉穎主演的旅行劇《如履薄冰》正式登陸湖南衛視金鷹獨播劇場。該劇改編自同名小說，在網上連載時點擊量已過億。被譽為“清代小說的代表作”，因此該劇自然吸引了眾多原著迷的目光。該劇播出期間，壹直是同時間段收視冠軍，收視壹路火爆，網絡點擊量近3億！值得壹提的是，相比之前播出的《磚瓦看齊飛》電視劇，《如履薄冰》不僅獲得了不錯的收視率，還憑借華麗精致的制作和恰當的改編獲得了不錯的口碑，贏得了眾多原著粉絲和觀眾的支持。劉詩詩的表現得到了原著作者佟華的認可。劉詩詩也首次在劇中試哭，演唱了插曲《等妳的季節》。隨著人氣的急劇上升，劉詩詩成為最受歡迎的女演員之壹。
《步步驚心》之後，劉詩詩不再專註古裝劇，開始嘗試拍現代戲。她出演了她的大銀幕處女作《下壹個奇跡》，以及電影《悲傷的童話》和電視劇《天使的幸福》。