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90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》。2017年7月28日，李沁出演的建军九十周年献礼片《建军大业》全面上映。
2001年，11岁的李沁进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，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。2004年，李沁考入了上海戏校学习专业的昆曲表演艺术。
