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1976年5月8日出生于北京，1986年至1993年北京舞蹈学院学生，是当年北京舞蹈学院在北京地区录取的唯一学员，1993年至1996年东方歌舞团演员，1996年签约北京鑫宝源影视投资有限公司，同年出演倒计时《保镖》剧中饰演女18号正式进入影视圈。
1996年，于《保镖之翡翠娃娃》中饰演慕容白，1997年出演连续剧《双凤奇案》饰演秋菊、《来来往往》饰演戴晓蕾/时雨篷，1998年出演电视剧《还看今朝》饰演胡欣，1999年出演电视剧《达摩祖师》饰演莲儿，2000年出演电视剧《白日》饰演黄序萍、《生命因你而美丽》饰演易无花，2000年李小冉还是东方歌舞团的一名专业舞蹈演员，被陈坤推荐参加演出了《像雾像雨又像风》饰安琪。
2001年，在《皇宫宝贝》饰演玉茗格格。
2004年，拍摄了惊悚片《天黑请闭眼》。
2006年，出演功夫片《龙虎门》饰演的罗刹女则是一个直来直去、敢爱敢恨的女子，最后为救心上人搭上了性命。同年另一部作品是唯美的《植物园/植物学家的女儿》影片受到观众的青睐。
2008年，出演电视剧《夜幕下的哈尔滨》李小冉饰演的卢秋影和陆毅饰演的王一民有大量的对手戏，并在戏中谈了一场轰轰烈烈的爱情。电视剧《凤穿牡丹》饰演郁家大小姐的小尼姑“无瑕”。
2009年，在谍战影片《东风雨》饰演一个既是细腻柔弱的女教师，也是大上海歌舞厅的交际花，在同伴面前，她又成为最忠诚的特工。
2010年，出演了由张杨导演的都市时尚爱情电影《无人驾驶》主演刘烨在片中被两位美女高圆圆和李小冉簇拥，演绎了一段美丽热烈的北京爱情故事。2011年02月02日首次登上中央春节联欢晚会的舞台和邵峰搭档出演小品《午夜电话亭》获得三等奖。
2012年，出演的电影《夜莺》并入围2013年度“新加坡影汇”的影片之一。
2013年，出演的爱情片《爱情不NG》上映。5月，主演年代剧《莲花》。7月31日，主演的都市情感剧《今夜天使降临》播出，在剧中饰演产科医生林婷。10月，参演电视剧《独有英雄》。同年，出演谍战剧《风筝》，在剧中饰演国民党中统女特工林桃。
2014年，与王志文共同主演了家庭剧《大丈夫》，在剧中饰演时尚杂志社副总编顾晓珺，并凭借该剧获得第20届上海电视节白玉兰奖最佳女演员提名。4月2日，参演的年代剧《大河儿女》播出。同年，先后拍摄都市情感剧《姐妹兄弟》和抗战剧《激战》。
2015年，在海飞原著小说改编的谍战革命剧《麻雀》中特别出演“宰相”沈秋霞。同年，出演谍战剧《追击者》。8月，与王耀庆搭档主演了年代剧《毕业歌》。此外，还与蒋雯丽、郭晓东合作拍摄了情感剧《嘿，孩子》，在剧中饰演贾元元。
2016年，都市情感剧《老婆大人是80后》正在江苏卫视幸福剧场热播；3月17日，深圳卫视举行优质资源推介会，以嘉宾身份参加深圳卫视推出的航海真人秀节目《极速寻航》。
2017年，主演都市情感剧《月嫂先生》。
2018年，主演《美好生活》。4月16日，参演的电视剧《下一站，别离》开播。5月11日，参加综艺节目《向往的生活》第二季。8月23日，主演的电视剧《月嫂先生》在东方卫视、浙江卫视播出。10月22日，凭借《风筝》获得第24届华鼎奖中国百强电视剧最佳女配角，《美好生活》获得中国当代题材电视剧最佳女演员两项提名奖。
2019年，参演的电视剧《因法之名》在北京卫视播出，在剧中饰演邹桐。10月21日，担任出品人并友情出演的电视剧《我的机器人男友》在浙江卫视播出，在剧中饰演汪雨菲。10月23日，主演的悬疑刑侦剧《时空来电》在腾讯视频播出，在剧中饰演何君。11月15日，参加综艺节目《亲爱的客栈》第三季。11月26日，参演的电视剧《庆余年》在腾讯视频和爱奇艺播出，在剧中饰演长公主。12月18日，获第八届“搜狐时尚盛典”年度国剧女明星奖。
2020年，参演的电视剧《秋蝉》定档在浙江卫视、江苏卫视播出，在剧中饰演江月。8月，参演电视剧《三体》，在剧中饰演申玉菲。9月15日，获第七届中国电视好演员蓝组女演员提名。9月29日，参演的电视剧《在一起》定档在东方卫视、腾讯视频、爱奇艺和优酷播出，在剧中饰演江灿。
2021年，参演的电视剧《光荣与梦想》播出，在剧中饰演宋庆龄。
三体2021饰演申玉菲导演杨磊主演张鲁一、于和伟、王子文、林永健
在一起2020-9-29饰演江灿导演刘江主演黄景瑜、郭涛、朱宏嘉、张晞临
秋蝉2020-5-4饰演江月导演付宁、李昂主演任嘉伦、李曼、刘欢、何杜鹃
庆余年2019-11-26饰演李云睿导演孙皓主演张若昀、陈道明、李沁、吴刚
时空来电2019-10-23饰演何君导演韩曾光主演杜淳、王天辰、姜峰、韩烨洲
我的机器人男友2019-10-21饰演汪雨菲导演曾丽珍主演姜潮、毛晓彤、郑伊鸣、宁理
因法之名2019-4-14饰演邹桐导演沈严、刘海波主演李幼斌、张丰毅、石天琦、马晓伟
月嫂先生2018-8-23饰演那娜导演徐宗政主演吴奇隆、许娣、白志迪、王维维
下一站，别离2018-4-16饰演盛夏导演潘越主演于和伟、邬君梅、姚奕辰、谈莎莎
美好生活2018-2-28饰演梁晓慧导演刘进主演张嘉益、宋丹丹、牛莉、李乃文
风筝2017-12-17饰演林桃导演柳云龙主演柳云龙、罗海琼、齐欢、孙斌
富滇风云2017-9-23饰演杨映真导演鄢颇主演潘粤明、高一玮、林好、丁勇岱
嘿，孩子2016-11-7饰演贾元元导演杨亚洲主演蒋雯丽、郭晓东、刘天佐、韩青
麻雀2016-9-5饰演沈秋霞导演金琛主演李易峰、周冬雨、张鲁一、张若昀
追击者2016-5-15饰演傅云导演周小刚主演朱雨辰、于和伟、刁琳琳、罗嘉良
姐妹兄弟2016-1-11饰演唐小雪导演安建主演朱亚文、曾黎、冯雷、王同辉
老婆大人是80后2015-12-23饰演汪小鹿导演刘进主演杜淳、张嘉益、于明加、张鲁一
毕业歌2015-8-26饰演桑霞导演曹盾主演王耀庆、付辛博、祖峰、杨溢
激战2015-7-6饰演关颖导演于敏、郝万军主演徐佳、刘晓洁、谭凯、韩童生
大河儿女2014-4-2饰演叶飞霞导演安建主演陈宝国、赵君、赵奎娥、印小天
大丈夫2014-2-16饰演顾晓珺导演姚晓峰主演王志文、韩童生、俞飞鸿、许娣
独有英雄2013-10-20饰演粉蝶导演杨文军主演周一围、张晞临、张志坚、薛佳凝
今夜天使降临2013-7-31饰演林婷导演杨阳主演马苏、刘涛、李晨、田征
莲花2012-2-1饰演莲花导演鄢颇主演吴越、王奎荣、戚九洲、陈洁
钱多多嫁人记2011-12-2饰演钱多多导演王小康主演朴海镇、邵兵、黄小蕾、高宝宝
春暖花开2011-6-5饰演叶晓薇导演戚健主演潘虹、赵峥、李明启、赵春羊
来不及说我爱你2010-8-30饰演尹静琬导演曾丽珍主演钟汉良、齐芳、谭凯、归亚蕾
南下2010-1-1饰演周玉导演王文杰主演杜淳、印小天、刘之冰、车晓
故梦2009-11-18饰演汪莲君导演董志强主演陈坤、罗海琼、胡可、熊乃瑾
军医2009-4-15饰演郭三妹导演刘惠宁主演邓超、张嘉益、马雅舒、黄爱玲
赖布衣传奇2009-2-10饰演兰馨公主导演程国权、乔建华主演黄少祺、蔡君茹、王美雪、李芳雯
人间情缘2009-1-12饰演秦倩导演刘惠宁主演邓超、范冰冰、宋春丽、汤嬿
夜幕下的哈尔滨2008-8-25饰演卢秋影导演赵宝刚主演陆毅、周杰、隋俊波、许还幻
凤穿牡丹2008-8-25饰演郁无瑕导演曾丽珍主演刘恺威、应采儿、严晓频、方青卓
阴丹士林2008饰演姜云静导演鄢颇主演袁泉、严屹宽、杨奇鸣、杨皓宇
家2007-12-5饰演钱梅芬导演汪俊主演黄磊、郑国霖、陆毅、黄奕
功勋2007-10-29饰演卓越导演成浩主演柳云龙、波多江清、陆鹏、任泽巍
为爱结婚2007-4-21饰演陆弥导演成浩主演李亚鹏、张嘉益、潘雨辰、廖凡
梦幻天空2007-4-16饰演张湘导演何东兴、丁仰国主演许玮伦、立威廉、印小天、张铁林
薛仁贵传奇2006-8-20饰演张美人导演陈村、丁仰国主演保剑锋、张铁林、金巧巧、释小龙
白屋之恋2006-7-1饰演童蕾导演黄志翔、赖建国主演何润东、袁泉、牛萌萌、佟晨洁
七剑下天山2006-3-16饰演纳兰明慧导演霍耀良、成志超主演赵文卓、吕良伟、王学兵、蔡少芬
可可西里2006-2-21饰演马二姐导演徐耿主演王学兵、徐悦、王珞丹、于荣光
哭也不流泪2005-12-5饰演梅苑导演袁军主演杨立新、王姬、黄海波、王平
金茂祥2005-9-11饰演徐小曼导演丁仰国主演黄少祺、于荣光、高远、陈怡蓉
天桥的童话2005饰演蓝妮导演赵宝刚主演何润东、于小伟、何润东、王丽娜
大清洗冤录2005饰演魏绮荃导演车凯颂主演陈宝国、翁家明、雷恪生、黄文豪
家变2004-10-30饰演柳梦导演祝君、吴奈主演宋春丽、杜雨露、郭涛、徐洪浩
凌云壮志包青天2004-10-01饰演兰如是导演金石、姚权主演王学兵、范冰冰、陈宝国、王刚
巴哥正传2004-7-5饰演客串导演英达主演巩汉林、金珠、程六一、高亮
别了，温哥华2004-2-14饰演杨夕导演赵宝刚主演赵子琪、陈坤、姜武、姜宏波
逆水寒2004饰演息红泪导演鞠觉亮主演张智霖、钟汉良、于娜、宋佳
刺虎2003-5-30饰演古秀兰导演马崇杰、陈东村主演吕良伟、吴樾、巍子、王绘春
金蚕丝雨2002-10-1饰演独孤凤导演汪俊主演吴京、何美钿、沈晓海、王群
浪迹天涯2002-6-10饰演陶剑秀导演刘二威主演吴若甫、咏梅、张明健、陶慧敏
皇宫宝贝2002-5-19饰演玉茗格格导演贾云主演范冰冰、戴春荣、寇振海、舒畅
爱在阳光灿烂时2001-12-1饰演林心彤导演罗雷主演陈坤、廖凡、韩雨芹、刘瑞琪
像雾像雨又像风2001-2-17饰演安琪导演赵宝刚、汪俊主演陈坤、罗海琼、周迅、陆毅
流氓太医2001饰演雷蕾导演马精武、靳德茂主演孙耀威、罗海琼、任泉、李立群
生命因你而美丽2001饰演易无花导演杨文军主演高鑫、袁泉、邵兵、周蕾
夜莺2014-10-31饰演任倩影导演费利普・弥勒主演李保田、秦昊、杨心仪、李芮莹
止杀令2013-3-22饰演契丹女导演王坪主演赵有亮、耿乐、余少群、朴艺珍
爱情不NG2013-2-10饰演吴迪导演朱时茂主演苏见信、余少群、钟欣潼、袁成杰
花漾2013-9-6饰演甄芙蓉导演周美玲主演陈意涵、陈妍希、言承旭、郑元畅
一夜未了情2011-7-15饰演顾婷导演江澄主演方中信、周海媚、李媛、宋晓英
武侠2011-7-4饰演徐百九前妻导演陈可辛主演甄子丹、金城武、汤唯、惠英红
无人驾驶2010-7-2饰演常青导演张杨主演刘烨、高圆圆、陈建斌、林心如
东风雨2010-4-22饰演郝碧柔导演柳云龙主演柳云龙、范冰冰、竹本孝之、于荣光
过界2008-11-7饰演李小安导演袁卫东主演郭涛、郑则仕、小类、张力夫
龙虎门2006-7-27饰演罗刹女导演叶伟信主演甄子丹、谢霆锋、董洁、余文乐
植物学家的女儿2006饰演陈安安导演戴思杰主演米兰妮·让帕诺米、林栋甫、王伟光、NhuQuynhNguyen
天黑请闭眼2004-4-1饰演艾莲导演阿甘主演王志文、吴倩莲、廖凡、于娜
天使不寂寞2002-4-1饰演叶繁导演张番番主演郭涛、解小东、郭涛、陶虹
凶宅幽灵2002饰演张爱秋导演阿甘主演聂远、牛飘、姚芊羽、刘海波
谁让咱们是亲戚2000饰演露露导演桑华主演马跃、李艳秋、谭峰、沙杰
2007年10月，担任粉红丝带的大使。
2015年6月15日，出席了“华谊ELLE之夜”举行的公益活动。
2004 第4届十佳演员 别了，温哥华 （获奖）
2005 第14届电视剧女配角 别了，温哥华 （获奖）
2006 最受欢迎四大花旦 （获奖）
2008 最佳女主角 凤穿牡丹 （获奖）
2009 2008年度最受观众喜爱女演员 （获奖）
2011 2010最美年度经典女星 （获奖）
2009 超级气质艺人 （获奖）
2009 演绎突破电影女演员奖 （获奖）
2011 最优雅明星旅行家 （获奖）
2011 最具号召力演员 来不及说我爱你 （获奖）
2011 最佳荧幕情侣 来不及说我爱你 （获奖）
2012 风尚魅力明星奖 （获奖）
2014 第20届最佳女演员 大丈夫 （提名）
2014 第20届观众网络票选最具人气女演员奖 大丈夫 （获奖）
2016 第19届中国近现代题材电视剧最佳女演员 毕业歌 （提名）
2020-9 中国电视好演员 （提名）
李小冉身材高挑，外形甜美靓丽，给人的第一印象是纤细而灵秀，她的性格果敢独立，生活中的李小冉是一个率真倔强、敢爱敢恨的北方姑娘。（新浪网评）
《像雾像雨又像风》中的卖花女安琪，《来不及说我爱你》中的白富美尹静琬，《凤穿牡丹》中的苏绣大师郁无瑕，无论哪一个人物都极具特点，已成为李小冉演艺生涯中的经典角色。她以温婉娴静的气质、端庄大方的旗袍扮相诠释了不少民国女子。（21CN综合、腾讯网评）
