2001年，11岁的她加入江苏省昆山市巴城镇石牌中心小学开办的戏曲兴
趣班接受戏曲基本功培训。
2002年，正值李沁12岁，为了能够继续留在学校学习戏曲，她向妈妈保证不会耽误自己的学业。
2003年，参加“苏外之夜”戏曲专场晚会的演出，在锡剧《沙家浜》中李沁饰演阿庆嫂、越剧《梁祝・十八相送》李沁饰演祝英台、昆剧《牡丹亭・游园》李沁饰演杜丽娘。并凭借昆曲《牡丹亭・游园》，获得第七届中国少儿戏曲小梅花荟萃活动金花奖。
2004年李沁考入了上海戏校，学习昆曲。
2010年，《新版红楼梦》正式与观众见面，12月参加在广州举办的“南方影视盛典2010年度颁奖礼”，李沁不仅拿下“金南方年度最受媒体关注奖”，更凭借在剧中对少年宝钗的出色演绎荣获“金南方年度最佳新人奖”。2010年凭借《建党伟业》中的“杨开慧”一角，入围第31届大众电影百花奖最佳新人奖。
2011年2月3日，李沁参演了由星美（北京）影业有限公司出品的古装喜剧
电影《神奇侠侣》，李沁在剧中饰演“蓝凤凰”。5月13日主演由北京东方飞云国际影视公司投资制作的数字电影《落难神偷》，影片中饰演一位地下工作的革命者，与林申成功塑造了一对“欢喜冤家”。5月16日与谷智鑫主演电视剧《中国1921》，剧中李沁扮演“杨开慧”，23日携同主创团队做客新浪直播间，与观众们一起分享该剧的台前幕后的故事，2012年《中国1921》荣获第26届中国电视金鹰奖最佳电视剧奖。2011年10月8日由李沁、张超等主演的电视剧《将军日记》在央视一套首播，在剧中李沁变身图书管理员，饰演参加工作的女大学生“小李”。
2012年，在电视剧《守望的天空》中担任女一号，饰演“葡萄”，2013该剧荣获第九届中美电影节优秀中国电视剧“金天使奖”大奖。
2013年8月27日，李沁在都市情感励志剧《璀璨人生》中饰演“余非”。10月30日在现代都市女性励志复仇剧《千金归来》中饰演复仇千金“沈长清”。根据作家九夜茴小说改编于2011年拍摄的电视剧《花开半夏》，李沁在剧中饰演“如画”。
2014年，携手金世佳主演古装偶像轻喜剧《极品新娘》，剧中李沁变身古装，演绎一个性格活泼开朗的女子，与金世佳共同演绎“娇妻憨夫”欢喜情侣。3月，李沁与实力男星韩栋首次合作，出演电视剧《情满雪阳花》。“2014年国剧盛典”李沁斩获最具潜力女演员奖。2014年11月17日，李沁主演的电视剧《幸福归来》开机，李沁演绎“千金扛鼎之作”。李沁和吴卓羲携手上演，剧中李沁短发示人特显率真气质。
2015年，李沁参演青春爱情电影《致青春2：原来你还在这里》与吴亦凡、刘亦菲合作，饰演孟雪一角。同年，参演《白鹿原》，饰演“田小娥”。
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