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8月，李沁出演的建军九十周年献礼片《建军大业》全面上映。
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 。