2003年，李沁参加了“苏外之夜”戏曲专场晚会的演出，而她则相继在锡剧《沙家浜》中饰演阿庆嫂 、在越剧《梁祝·十八相送》中饰演祝英台、在昆剧《牡丹亭·游园》中饰演杜丽娘，并凭借《牡丹亭·游园》获得了第7届中国少儿戏曲小梅花荟萃活动金花奖。
2008年，李沁因在李少红版《红楼梦》中饰演少年薛宝钗而被观众熟知。
2011年，李沁主演了革命动作悬疑片《落难神偷》，她在片中则饰演了机智勇敢的地下工作者李曼真；10月，其主演的革命历史剧《将军日记》在央视一套播出；随后；李沁还与林申、杨洋、张嘉倪联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》，并在剧中饰演了性格坚强却命运坎坷的女主角夏如画。
2014年，李沁获得了国剧盛典最具潜力女演员奖。
2016年，除了参演电影版《微微一笑很倾城》；她还主演了爱情片《闭嘴！爱吧》。
2019年，主演的古装权谋剧《庆余年》播出。