早年出演《射雕英雄传》中的穆念慈时就向饰演其父亲的老演员翁家明学习古装剧的特有表现方式，后来的《步步惊心》中她从搭档男演员吴奇隆和郑嘉颖的表演中琢磨出更好的镜头机位感和情绪的配合，而非独自投入表演。客串《精忠岳飞》的搭档吴秀波让刘诗诗体会到对角色塑造的独到性的自信，这让她的后续的演出中对自己的角色有了更大的掌控力，常常会自己主动要求看回放或多拍几条。和不同的班底合作，多样化的演出形式，让刘诗诗的表演越来越成熟和细腻，而接下来的电视剧《大漠谣》、《天使的幸福》、《对不起爱上你》、《步步惊情》，电影《不二神探》、《爱的季节》也将陆续和影迷粉丝见面。

2013年1月21日，由《南方都市报》推出的新生代四小花旦结果出炉：刘诗诗和杨颖、杨幂以及倪妮获选 。4月23日《福布斯》中文版推出“2013福布斯中国名人榜”，刘诗诗的排名较2012年有所上升，排名第57  。同年6月21日，由刘诗诗首次主演的悬疑动作喜剧电影《不二神探》全国公映，刘诗诗饰演女主角刘金水。该片取得了公映三天票房近亿元，最终票房近3亿元的成绩  。

2014年由刘诗诗等主演的《绣春刀》于中国内地上映。首映当天取得了850万的首日票房。10月2日，由刘诗诗等主演的电影《深夜前的五分钟》于釜山国际电影节全球首映，并且于2014年10月23日在中国大陆全面上映，12月27日在日本首映。

2016年2月13日，由刘诗诗与霍建华主演的《女医·明妃传》在中国内地上映，剧情受到关注的同时，剧中大量医学名词、药方的使用，都受到网友们的关注 ，该剧以收视率2.007%，市场份额5.118%的成绩收官  ；5月10日，都市青春励志剧《那年青春我们正好》首播，刘诗诗在剧中饰演温婉秀丽的校园女学霸刘婷  ；10月，拍摄古装奇幻权谋电视剧《醉玲珑》，并在剧中饰演冥衣楼圣巫女凤卿尘 ；11月18日，获百度娱乐年度人物奖；12月底，刘诗诗与唐人合约到期，并宣布不再续约 。
2017年，与邓超、阮经天合作出演悬疑电影《心理罪之城市之光》 。