2001年，11歲的她加入江蘇省崑山市巴城鎮石牌中心小學開辦的戲曲興趣班接收戲曲基本功培訓。
2008年，還在上海戲劇學院上學的李沁在機緣巧合下被《紅樓夢》劇組以及李少紅導演看中，並最終決定由她來飾演金陵十二釵-薛寶釵的少年時期 。
2010年，李少紅版《紅樓夢》正式播出，李沁則憑藉對少年薛寶釵的演繹獲得了南方影視盛典金南方年度最受媒體關注獎和金南方年度最佳新人獎
2011年，李沁主演了革命動作懸疑片《落難神偷》，她在片中則飾演了機智勇敢的地下工作者李曼真。
2012年，李沁與林申搭檔主演的現代家庭情感劇《守望的天空》播出，劇中李沁飾演了堅韌不拔且積極樂觀的女主角葡萄，而該劇在播出後則獲得了第9屆中美電影節優秀中國電視劇金天使獎
2013年，李沁與何潤東、闞清子、張勳傑聯袂主演了都市情感勵志劇《璀璨人生》，並在劇中飾演了可愛溫柔又善良堅強的向日葵女孩餘非 ，而該劇在播出後則取得了全國同時段電視劇收視第一的成績
2014年，李沁先是與金世佳搭檔主演了古裝偶像輕喜劇《極品新娘》，劇中李沁飾演了活潑開朗又古靈精怪的美麗女子唐豆豆 ；同年3月，李沁又與韓棟合作主演了現代情感勵志劇《情滿雪陽花》 ，並在劇中飾演了家道中落卻依然樂觀努力的落難公主葉明珠
2015年，李沁與劉亦菲、吳亦凡、金世佳等人聯袂了主演青春愛情電影《致青春·原來你還在這裡》，並在片中飾演了與男主角程錚青梅竹馬且對其一往情深的美麗女孩孟雪
016年，李沁先是與angelababy、井柏然等人合作主演了都市奇幻愛情片《微微一笑很傾城》，並在片中飾演了清純可人的校園第一美女孟逸然
2017年，剛剛開年李沁便確定與吳磊、林允、陳楚河等人聯袂主演古裝玄幻動作劇《鬥破蒼穹》 。3月，她還參加了競技真人秀節目《奔跑吧》，並與“奔跑團”和其她幾位嘉賓在風景美如畫的雲南大理上演了一場“男女對抗賽”
2010年12月12日，出席中國扶貧基金會“母嬰平安120行動”項目10週年紀念慈善晚宴。
2011年3月15日，參加倡導關愛女性，防治乳腺疾病的公益活動“奧麗儂鬱金香行動”，李沁作為紅樓五星之一，被主辦方授予“奧麗儂鬱金香愛心大使”的稱號，並擔任公益大使。
2014年4月2日，導演陸江攜主演薩日娜、林申、李沁等來到天津參加世界孤獨症日，出席了電視劇《守望的天空》的媒體見面會，號召大家共同關注自閉症患者，並參加了天塔點亮藍燈的祈福儀式。
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