2001年，劉思彤在吳奇隆、朱茵主演古裝武俠劇《蕭十一郎》中，飾演了刁蠻任性的連城謹，由此正式走上演藝道路。
2003年，由劉思彤、高曙光等主演的商戰題材電視劇《黃金時代》播出，她在劇中飾演經歷坎坷的葉美倫；同年還出演了都市情感劇《換個活法》和武俠劇《刀歌之短刀行》。
2004年，劉思彤再次與吳奇隆合作，在梁國冠、黃偉杰執導的現代勵志電視劇《鐵拳浪子》中飾演率性好動、敢做敢為的富家女余小凱。
2005年，劉思彤與辛柏青、何冰、霍思燕聯合主演的古裝宮廷劇《嘉慶皇帝》播出，她在劇中飾演女二號納蘭；同年還與羅海瓊攜手主演了年代傳奇劇《梔子花白蘭花》，飾演為愛情不顧一切的千金小姐李湘瀾。
2006年，參演由鞠覺亮、鄒集成執導秦沛、溫兆倫主演的古裝劇《李衛辭官》，劉思彤在劇中飾演傅恒的姐姐傅貴妃；同年，還在都市勵志劇《超級女生》中飾演與超女何潔爭奪男友的鐘晴。
2007年，劉思彤在楊玄執導、馬雅舒、黃文豪等主演年代苦情劇《寧為女人》中飾演敢愛敢恨，勇于為父報仇的女二號李水晶。
2008年，劉思彤與鄧萃雯、寇振海合作，主演民國倫理劇《牌坊下的女人》，飾演剛從海外留學歸來的佟家千金小姐佟慶。
2009年，劉思彤與吳奇隆、左小青合作出演了文藝電影《車票》，首次登上大銀幕的劉思彤擔任女二號，飾演即將臨盆卻發現胎兒患有罕見病的準媽媽吳靜；同年還與寇振海、劉雪華、保劍鋒合作主演了年代情感劇《再見艷陽天》，在劇中飾演憤世嫉俗的文鳳；并在由保劍鋒、陳紫函、 馬蘇主演的年代情感劇《善良背后》中，飾演軟弱無奈的李菁。
2010年，劉思彤與苗乙乙、朱泳騰、魏春光合作主演了都市倫理劇《血脈》，飾演為了給母親治病而去作代孕媽媽的周丹寧；同年在由吳奇隆制作的電視劇《完美丈夫》中與戴嬌倩、保劍鋒、林保怡合作，飾演患有憂郁癥的錢麗娟。
2011年，劉思彤與潘粵明、董潔、劉松仁合作主演古裝武俠劇《新萍蹤俠影》，飾演看似柔弱卻內心的脫不花公主；同年，與馬伊琍、涂松巖合作主演的現代都市倫理劇《雙城生活》播出，飾演一心只為嫁有錢人的上海女孩葉紫葳。該劇在東方衛視播出的收視率全國名列前茅，并在搜狐視頻冬季電視劇盛典中獲得最佳電視劇、最佳網絡收視率貢獻等五項大獎。
2012年，劉思彤與吳奇隆、馬蘇、樊少皇合作主演了古裝武俠劇《新白發魔女傳》，她在劇中飾演古靈精怪的鐵珊瑚，該劇播出后獲得同時段電視劇類收視第一的成績，并獲得湖南衛視電視劇年終盛典“最芒果劇集冠軍獎”。
2013年9月，劉思彤與朱泳騰、李解、魏春光合作主演的戰爭劇《我的抗戰2》播出，她在劇中飾演武功高強的女新四軍苗香兒。2014年，參演古裝武俠劇《少年四大名捕》，飾演圣月神教圣女卞紅藥。
2015年，劉思彤與趙麗穎、陳偉霆、吳奇隆合作主演武俠劇《蜀山戰紀之劍俠傳奇》，飾演專橫跋扈的蜀山派掌門之女諸葛紫英；同年，主演的抗戰劇《兄弟們上》在在山西衛視和陜西衛視播出，她在劇中飾演有勇有謀的抗日女英雄翠翠。
2016年11月8日，參演的抗戰電視劇《不可能完成的任務》在江蘇衛視播出，她在劇中飾演保護兒子及國家的安全而犧牲的海歸學者曾潔茹。
2017年，劉思彤在古裝武俠劇《蜀山戰紀2踏火行歌》中飾演艷麗張揚的魔女沙艷紅。
2018年1月，劉思彤在年代諜戰劇《國寶奇旅》中飾演任正秋，演繹一位護送國寶南遷的共產黨地下聯絡員。
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