2000年，出演黃建新執導電影《誰說我不在乎》，扮演顧小文。2001年，獲得第21屆金雞獎最佳女配角提名。
2004年，出演電視劇《我的淚珠兒》，扮演“淚珠兒”嚴安。2005年，出演電視劇《大浴女》，扮演尹小帆。
2006年，出演由高雄傑執導的喜劇《我不是女生》，獲得了第5屆廣州大學生電影節最受歡迎新人獎。
2009年，李小萌考入中央戲劇學院，出演由王偉執導的話劇《來世許你個今生》，飾演聶小倩，這是她第一次話劇表演。
2011年，出演電視劇《臥底》，同年出演電視劇《離婚前規則》，演繹“嘟嘟妹妹”張小凡。
2012年，參演了由任鳴執導的話劇《第一次的親密接觸》，飾演輕舞飛揚 ，並獲得了首屆北京優秀小劇場劇目展演優秀表演獎以及第三屆壹戲劇大賞新銳女演員獎提名。
2012年，出演電影版《金太狼的幸福生活》，飾演一個為愛奮不顧身的東北女孩，同年出演話劇《第一次的親密接觸》。
2014年3月，出演改編自路遙的同名小說的電視劇《平凡的世界》。2016年，主演青春愛情年代大戲《愛人同志》 。
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