2008年，还在上海戏剧学院附属戏曲学校上学的李沁在机缘巧合下被《红楼梦》剧组以及李少红导演看中，虽然一开始李沁的父母并不同意，但李少红和李小婉铁了“要这孩子”，更亲赴巴城做工作，最后李沁顺利参演该剧，并扮演了金陵十二钗-薛宝钗的少年时期。

　　2010年，李沁主演的古装剧《红楼梦》正式播出，李沁则凭借对少年薛宝钗的演绎获得了南方影视盛典金南方年度最受媒体关注奖和金南方年度最佳新人奖；此后，李沁又与众多艺人共同参与演出了中国共产党建党90周年献礼片《建党伟业》，并在这部片中扮演了中国妇女解放运动的倡导者和实践者之一的杨开慧，而她也凭借此角色获得了第31届大众影片百花奖最佳新人奖提名；这年，李沁还与谷智鑫搭档主演了另一部建党宙府询担献礼剧《中国1921》，并在这部剧中再度扮演了杨开慧，该剧播出后则获得了第26届中国电视金鹰奖最佳电视剧奖；此外，还参演了古装动作喜剧片《神奇侠侣》。

　　2011年，李沁主演了革命动作悬疑叠牛戒嘱片《落难神偷》，其在这部片中扮演了机智勇敢的地下工编辑李曼真；10月份，主演的革命历史剧《将军日记》在央视一套播出；而后；她还与林雨申、杨洋、张嘉倪连袂主演了根据九夜茴同名小说改编的都市青春言情剧《花开半夏》，并在这部剧中扮演了性格坚强淋龙，却命运坎坷的女主角夏如画。

　　2012年，李沁与林雨申搭档主演的现代家庭情感剧《守望的天空》播出，她在这部剧中扮演了坚韧不拔且积极乐观的女主角葡萄，而该剧在播出后则获得了第9届中美影片节优秀中国电视剧金天使奖；而后，其客串参与演出的美食爱情喜剧片《饮食男女2012》在全国公映；这年，李沁还与鲁敏宇、叶项明、弦子等人合作主演了中韩合拍的时尚偶像喜剧《有效期限爱上你》；10月22号，成立上海李沁影视学问工作室，并开始独立发展；此外，她还参与演出了家庭情感轻喜剧《保卫孙子》。

　　2013年，李沁与何润东、阚清子、张勋杰连袂主演了都市情感励志剧《璀璨人生》，并在这部剧中扮演了可爱温柔，又善良坚强的向日葵女孩余非，而该剧在播出后则取得了全国同时段电视剧收视第一的成绩；而后，李沁又与李易峰、李威、赵文瑄等人合作主演了都市女性微立婶复仇剧《千金归来》，她在这部剧中扮演的是性格单纯，却充满勇气和智慧的豪门千金沈长清；这年，李沁还在与明道、胡兵、白歆惠共同主演的浪漫爱情偶像剧《如果我爱你》中扮演了虽出身名门却怀抱着演员梦想的女主角安宁；此外，她还参与演出了运动励志爱情片《神奇》。

　　2014年，李沁先是与金世佳搭档主演了古装偶像轻喜剧《极品新娘》，剧中李沁扮演了活泼开朗，古灵精怪的美丽女子唐豆豆；而后，又与韩栋搭档主演了现代情感励志剧《情满雪阳花》，并在这部剧中扮演了虽然家道中落，却依然乐观努力的落难公主叶明珠；这年，李沁还在与吴卓羲搭档主演的都市励志偶像剧《幸福归来》中扮演了因幼年被调换而沦落为渔民之女的富家千金鱼幼薇；年底，李沁还凭借在多部剧集中的表现获得了国剧盛典最具潜力女演员奖。

　　2015年，李沁主演了青春爱情片《致青春·原来你还在这里》，并在这部片中扮演了与男主角程铮青梅竹马，且对其一往情深的美丽女孩孟雪；这年，李沁还与众多艺人共同参与演出了根据同名小说改编的年代恩怨剧《白鹿原》，而其在这部剧中则扮演了妩媚风情却又一生坎坷悲情的田小娥。

　　2016年，李沁与angelababy、井柏然等人合作主演了都市奇幻爱情片《微微一笑很倾城》，并在这部片中扮演了清纯可人的校园第一美女孟逸然；2月份，开始参加江苏卫视恋爱真人秀节目《大家相爱吧》；与此同时，她还在与张嘉益、林雨申、刘奕君等人连袂主演的现代热血警匪剧《卧底归来》中扮演了小巧玲珑，楚楚动人的贩毒集团老大之女糖果；3月份，李沁与张艺兴、郑秀晶共同参与演出了时尚爱情喜剧纹料棵片《闭嘴!爱吧》；而后，李沁还与赵丽颖、林更新、窦骁连袂主演了古装热血传奇剧《楚乔传》，并在这部剧中扮演了本性善良，却为爱固执的元淳公主；这年，李沁还参与演出了古装宫斗剧《如懿传》，其在这部剧中扮演的则是貌美体香，清冷刚烈的容妃寒香见多她喇。

　　2017年3月份，李沁参加了竞技真人秀节目《奔跑吧第一季》，并与“奔跑团”和其她几位嘉宾在风景美如画的云南大理上演了一场“男女对抗赛”；7月28号，李沁和众多艺人共同参与演出的建军九十周年献礼片《建军大业》上映，而她在这部片中则再一次扮演了杨开慧；9月份，李沁还第一次入选福布斯中国名人榜，排名是第100位；12月31号，李沁还参加了中央电视台跨年晚会，并登台演唱了歌曲《最好的未来》。

　　2018年，李沁主演了曹保平执导的现代悬疑片《她杀》；8月份，她还入选了福布斯中国“30位30岁以下精英”榜(娱乐领域)；9月3号，李沁主演的古装玄幻动作剧《斗破苍穹》播出。

　　2019年2月份，李沁参加了中央电视台元宵晚会，并与罗云熙、张彬彬、魏允熙共同演唱了歌曲《团圆年》；9月13号，李沁出演的青春仙侠动作片《诛仙Ⅰ》上映，其扮演的角色为刚柔并济，实力不凡的女主人公陆雪琪；而后，和众多艺人主演的现代灾难片《中国机长》在全国上映，李沁在这部片中扮演了在受伤后仍坚守岗位的五号位乘务员周雅文，而她也凭借该片获得了第三届“金色银幕奖”最佳女配角奖；年底，李沁和张若昀、陈道明、吴刚等人连袂主演的古装科幻权谋剧《庆余年》播出，她在这部剧中扮演的是纯洁美丽、活泼灵动的晨郡主林婉儿。

　　2020年1月24号，李沁在央视春节联欢晚会上与朱一龙、周冬雨、李现、马思纯共同表演了歌舞《你好2020》；6月25号，李沁参加央视端午晚会《端午道安康》，并与井柏然合唱了歌曲《春暖花开》；7月1号，李沁领衔主演的古装励志爱情剧《锦绣南歌》播出，其在这部剧中扮演的女主角沈骊歌，既是武功超群，杀伐决绝的江湖侠女，亦是正义善良、智勇双全的将门嫡女；8月27号，以排名第72位的成绩再次入选福布斯中国名人榜；9月29号，李沁出演的抗疫题材时代报告剧《在一起》之《我叫大连》播出；国庆期间，她还在《“中国梦·祖国颂”——2020国庆特别节目》中与张天爱、Angelababy共同演唱了歌曲《但愿人长久》；并参加了《江山如画国庆音乐会》；10月18号，开始担任中国视协新文艺组织和新文艺群体工作委员会委员；10月20号，李沁还获得了中国电视好演员奖网剧组优秀演员奖；11月19号，出演的古装传奇剧《狼殿下》播出，而她在这部剧中则扮演了生性洒脱，英姿飒爽的女主角马摘星；年末，除了在公映的喜剧片《温暖的抱抱》中扮演了性格率真的宋温暖；此外，李沁还参加了《2021迎冬奥相约北京BRTV环球跨年冰雪盛典》。

　　2021年，李沁先是在北京电视台春节联欢晚会上参与表演了歌舞节目《少年》、《相约北京》；2月12号，再次参加中央广播电视总台春节联欢晚会，并与杨幂、刘烨共同演唱了歌曲《燃烧的雪花》；2月26号，李沁在中央广播电视总台元宵晚会上与金晨、刘浩存等人共同演唱歌曲《出发吧，春天》；5月4号，参演的《奋斗正青春——2021年五四青年节特别节目》播出；6月1号，出演的现代军旅剧《爱上特种兵》播出，其在这部剧中扮演的是温柔独立、敢爱敢恨的心外科军医夏初；6月23号，李沁和窦骁搭档主演的都市情感剧《海上繁花》播出，她在这部剧中扮演了性格单纯善良的杜晓苏；7月9号，李沁参演的主旋律抗疫影片《中国医生》上映；这年，她还在爱奇艺恋爱真人秀《机智的恋爱》中担任了恋爱侦察员。

　　2022年2月1号，李沁连续第二年参加了北京广播电视台春节联欢晚会，并与许魏洲等人共同表演了歌舞《恭喜发财》；2月2号，参演的“百花迎春——中国文学艺术界春节大联欢”播出，她在晚会上则演唱了歌曲《人民江山》；2月7号，李沁确定主演青春励志情感剧《梦中的那片海》，其在这部剧中的角色是热烈追寻医生梦想的北京女孩佟晓梅；5月4号，参加央视《奋斗的青春——2022年五四青年节特别节目》；6月16号，李沁和李威、姚笛、黄觉等人共同主演的现代都市爱情剧《从爱情到幸福》播出；9月15号，李沁和任嘉伦搭档主演的民国奇幻剧《请君》播出，其在这部剧中扮演了胆大豪横的清泉寨少寨主于登登。

　　2023年3月20号，李沁和陈晓搭档主演的年代情感剧《人生之路》播出。

　　2023年4月5号，李沁参加央视清明云诗会。