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。2010年，李沁凭借在建党九十周年献礼片《建党伟业》中饰演杨开慧获得第31届大众电影百花奖最佳新人奖提名  。2013年，李沁主演的现代剧《守望的天空》获得了中美电影节优秀中国电视剧金天使奖；同年，李沁主演的都市剧《璀璨人生》获得全国同时段电视剧收视冠军。

2014年，李沁获得了国剧盛典最具潜力女演员奖。2015年，李沁主演了青春片《致青春·原来你还在这里》；同年，她还主演了电视剧版《白鹿原》。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》 。2018年，李沁凭借建军九十周年献礼片《建军大业》获得第34届大众电影百花奖最佳女主角提名  。2019年，主演的古装权谋剧《庆余年》播出。