Năm 2004, cô đóng vai nữ chính trong phim truyền hình Nguyệt Ảnh Phong Hà, bắt đầu bước chân vào làng giải trí.

Năm 2007, cô đóng vai nữ chính Thập tứ nương trong phim Liêu Trai Kỳ Nữ.

Năm 2008, trong Anh hùng xạ điêu, Lưu Thi Thi đóng vai Mục Niệm Từ.

Năm 2009 cô đóng vai Long Quỳ trong Tiên kiếm 3, dần được nhiều người biết đến.

Năm 2010 cô vào vai Doãn Song Song ca kỷ dịu dàng trong Bạch Xà Hậu Truyện, Triệu Gia Nghi trong Thiên Nhai Chức Nữ.

Năm 2011, với vai chính Mã Nhĩ Thái Nhược Hy trong Bộ bộ kinh tâm. Đây là bộ phim làm nên tên tuổi của Lưu Thi Thi và giúp cô nên duyên với bạn diễn Ngô Kỳ Long (vai Tứ gia).

Năm 2011 , Lưu Thi Thi đóng Yến Tam Nương trong Quái hiệp Nhất Chi Mai; Sophia trong Mộng Hồi Lộc đỉnh ký cô được giới truyền thông quan tâm.

Năm 2012, được bình chọn là "Nữ Thần Kim Ưng", và được giới sinh viên Trung Quốc yêu thích nhất. Tiếp tục được bình chọn là một trong tứ tiểu hoa đán cùng với Thích Vy, Đường Yên, Dương Mịch.

Năm 2012, qua vai diễn Thác Bạt Ngọc Nhi trong phim Hiên Viên kiếm - Thiên chi ngân, Lưu Thi Thi giành được nhiều khen ngợi. Cũng từ năm 2012, Lưu Thi Thi bắt đầu chuyển sang điện ảnh với các phim như: Bất Nhị Thần Thám 2013, Phi Ngư Phục Tú Xuân Đao, Năm Phút Trước Nửa Đêm, ...

Năm 2013, cô được bình chọn là một trong tứ tiểu hoa đán cùng Dương Mịch, Dương Dĩnh và Nghê Ny.

Năm 2015, được bình chọn một trong tứ tiểu hoa đán cùng Triệu Lệ Dĩnh, Trịnh Sảng, Đường Yên.

Năm 2016, bộ phim Nữ Y Minh Phi Truyện đóng cùng Hoắc Kiến Hoa được chiếu ở đại lục, đạt tỷ suất 5,118% khiến Lưu Thi Thi có ảnh hưởng rộng rãi hơn. Cùng năm, cô đóng chính trong bộ phim truyền hình Thanh Xuân Năm Ấy Chúng Ta Vừa Gặp Gỡ cùng Trịnh Khải.

Năm 2017, cô tiếp tục vào vai Phượng Khanh Trần trong phim Túy Linh Lung đóng cùng Trần Vỹ Đình.

Năm 2019, sau thời gian ở ẩn thực hiện thiên chức làm mẹ, Lưu thi Thi tái xuất với vai nữ chính Lý Tư Vũ trong bộ phim truyền hình Tôi Thân Yêu, hợp tác cùng diễn viên Chu Nhất Long.