2001年，刘思彤在吴奇隆、朱茵主演古装武侠剧《萧十一郎》中，饰演了刁蛮任性的连城谨，由此正式走上演艺道路。

2003年，由刘思彤、高曙光等主演的商战题材电视剧《黄金时代》播出，她在剧中饰演经历坎坷的叶美伦；同年还出演了都市情感剧《换个活法》和武侠剧《刀歌之短刀行》。

2004年，刘思彤再次与吴奇隆合作，在梁国冠、黄伟杰执导的现代励志电视剧《铁拳浪子》中饰演率性好动、敢做敢为的富家女余小凯。

2005年，刘思彤与辛柏青、何冰、霍思燕联合主演的古装宫廷剧《嘉庆皇帝》播出，她在剧中饰演女二号纳兰；同年还与罗海琼携手主演了年代传奇剧《栀子花白兰花》，饰演为爱情不顾一切的千金小姐李湘澜。

2006年，参演由鞠觉亮、邹集成执导秦沛、温兆伦主演的古装剧《李卫辞官》，刘思彤在剧中饰演傅恒的姐姐傅贵妃；同年，还在都市励志剧《超级女生》中饰演与超女何洁争夺男友的钟晴。

2007年，刘思彤在杨玄执导、马雅舒、黄文豪等主演年代苦情剧《宁为女人》中饰演敢爱敢恨，勇于为父报仇的女二号李水晶。

2008年，刘思彤与邓萃雯、寇振海合作，主演民国伦理剧《牌坊下的女人》，饰演刚从海外留学归来的佟家千金小姐佟庆。

2009年，刘思彤与吴奇隆、左小青合作出演了文艺电影《车票》，首次登上大银幕的刘思彤担任女二号，饰演即将临盆却发现胎儿患有罕见病的准妈妈吴静；同年还与寇振海、刘雪华、保剑锋合作主演了年代情感剧《再见艳阳天》，在剧中饰演愤世嫉俗的文凤；并在由保剑锋、陈紫函、 马苏主演的年代情感剧《善良背后》中，饰演软弱无奈的李菁。

2010年，刘思彤与苗乙乙、朱泳腾、魏春光合作主演了都市伦理剧《血脉》，饰演为了给母亲治病而去作代孕妈妈的周丹宁；同年在由吴奇隆制作的电视剧《完美丈夫》中与戴娇倩、保剑锋、林保怡合作，饰演患有忧郁症的钱丽娟。

2011年，刘思彤与潘粤明、董洁、刘松仁合作主演古装武侠剧《新萍踪侠影》，饰演看似柔弱却内心的脱不花公主；同年，与马伊琍、涂松岩合作主演的现代都市伦理剧《双城生活》播出，饰演一心只为嫁有钱人的上海女孩叶紫葳。该剧在东方卫视播出的收视率全国名列前茅，并在搜狐视频冬季电视剧盛典中获得最佳电视剧、最佳网络收视率贡献等五项大奖。

2012年，刘思彤与吴奇隆、马苏、樊少皇合作主演了古装武侠剧《新白发魔女传》，她在剧中饰演古灵精怪的铁珊瑚，该剧播出后获得同时段电视剧类收视第一的成绩，并获得湖南卫视电视剧年终盛典“最芒果剧集冠军奖”。

2013年9月，刘思彤与朱泳腾、李解、魏春光合作主演的战争剧《我的抗战2》播出，她在剧中饰演武功高强的女新四军苗香儿。2014年，参演古装武侠剧《少年四大名捕》，饰演圣月神教圣女卞红药。

2015年，刘思彤与赵丽颖、陈伟霆、吴奇隆合作主演武侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》，饰演专横跋扈的蜀山派掌门之女诸葛紫英；同年，主演的抗战剧《兄弟们上》在在山西卫视和陕西卫视播出，她在剧中饰演有勇有谋的抗日女英雄翠翠。

2016年11月8日，参演的抗战电视剧《不可能完成的任务》在江苏卫视播出，她在剧中饰演保护儿子及国家的安全而牺牲的海归学者曾洁茹。

2017年，刘思彤在古装武侠剧《蜀山战纪2踏火行歌》中饰演艳丽张扬的魔女沙艳红。

2018年1月，刘思彤在年代谍战剧《国宝奇旅》中饰演任正秋，演绎一位护送国宝南迁的共产党地下联络员。