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1990年，在江苏省昆山市巴城镇出生，那里是昆曲的发源地，也是李沁的家乡。
2001年，11岁的李沁进入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。
2003年，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，考入上海戏校学习专业的昆曲表演艺术，而此后她也被时任上海昆剧学院院长的蔡正仁选中，成为了该院的第五代“杜丽娘”。
2008年，还在上海戏剧学院附属戏曲学校上学的李沁在机缘巧合下被《红楼梦》剧组以及李少红导演看中，饰演了金陵十二钗-薛宝钗的少年时期。
2010年，主演的古装剧《红楼梦》正式播出，李沁则凭借对少年薛宝钗的演绎获得了南方影视盛典金南方年度最受媒体关注奖和金南方年度最佳新人奖；此后，又与众多艺人共同出演了中国共产党建党90周年献礼片《建党伟业》。
2011年，主演了革命动作悬疑片《落难神偷》；10月，主演的革命历史剧《将军日记》播出；随后，与林雨申、杨洋、张嘉倪联袂主演《花开半夏》。
2012年，与林雨申搭档主演的现代家庭情感剧《守望的天空》播出，而该剧在播出后则获得了第9届中美电影节优秀中国电视剧金天使奖；10月22日，成立上海李沁影视文化工作室，并开始独立发展。
2013年，与何润东、阚清子、张勋杰联袂主演了都市情感励志剧《璀璨人生》，而该剧在播出后取得了全国同时段电视剧收视第一的成绩；随后，与李易峰、赵文瑄等人合作主演了都市女性复仇剧《千金归来》。
2014年，先是与金世佳搭档主演了古装偶像轻喜剧《极品新娘》；随后，与韩栋搭档主演了现代情感励志剧《情满雪阳花》；同年，与吴卓羲搭档主演了都市励志偶像剧《幸福归来》；年底，李沁凭借在多部剧集中的表现获得了国剧盛典最具潜力女演员奖。
2015年，主演了青春爱情片《致青春·原来你还在这里》；同年，与众多艺人共同出演了根据同名小说改编的年代恩怨剧《白鹿原》。
2016年，与angelababy、井柏然等人合作主演了都市奇幻爱情片《微微一笑很倾城》；随后，与赵丽颖、林更新、窦骁联袂主演了古装热血传奇剧《楚乔传》；同年，还出演了古装宫斗剧《如懿传》。
2017年7月28日，与众多艺人共同出演的建军九十周年献礼片《建军大业》上映。9月，李沁还首次入选福布斯中国名人榜，排名是第100位。
2018年，主演了曹保平执导的现代悬疑片《她杀》；8月，入选了福布斯中国“30位30岁以下精英”榜（娱乐领域）；9月3日，主演的古装玄幻动作剧《斗破苍穹》播出。
2019年9月13日，主演的青春仙侠动作片《诛仙Ⅰ》上映；随后，与众多艺人主演的现代灾难片《中国机长》在全国上映，而她也凭借该片获得了第三届“金色银幕奖”最佳女配角奖；年底，与张若昀、陈道明、吴刚等人联袂主演的古装科幻权谋剧《庆余年》播出。
2020年7月1日，领衔主演的古装励志爱情剧《锦绣南歌》播出；10月18日，开始担任中国视协新文艺组织和新文艺群体工作委员会委员；10月20日，获得了中国电视好演员奖网剧组优秀演员奖；11月19日，主演的古装传奇剧《狼殿下》播出。
2021年6月1日，主演的现代军旅剧《爱上特种兵》播出；6月23日，与窦骁搭档主演的都市情感剧《海上繁花》播出；7月9日，参演的电影《中国医生》上映。
2022年2月1日，连续第二年参加北京广播电视台春节联欢晚会；2月2日，参演的“百花迎春——中国文学艺术界春节大联欢”播出；2月7日，确定主演青春励志情感剧《梦中的那片海》。
《亲爱的戎装》、《南歌》、《如懿传》、《从爱情到幸福》、《楚乔传》、《庆余年》、《斗破苍穹》、《狼殿下》、《佳期如梦之海上繁花》、《卧底归来》等。
《温暖的抱抱》、《诛仙Ⅰ》、《闭嘴！爱吧》、《微微一笑很倾城》、《神奇》、《中国机长》、《她杀》、《建军大业》、《致青春·原来你还在这里》、《饮食男女2：好近又好远》等。
《牡丹亭·游园》、《牡丹亭·惊梦》、《梁祝·十八相送》、《沙家浜》。
水上芭蕾情景秀《红楼梦》。
《许我一个红楼梦》、《追风筝的歌》。
2012年，提名第31届大众电影百花奖最佳新人奖。
2015年，提名第2届中国电视好演员奖（绿宝石组）。
2017年，获第4届中国电视好演员绿宝石组优秀演员。
2018年，提名第5届中国电视好演员奖（绿宝石组）。
2018年，提名第24届上海电视节-白玉兰奖最佳女配角奖。
2018年，提名第34届大众电影百花奖最佳女主角。
2020年，提名微博电视剧大赏十大人气女性角色TOP2。
2020年，获第七届中国电视好演员奖网剧组优秀演员。
2021年，获腾讯娱乐白皮书星指数年度电视剧女演员。
2003年，获第7届中国少儿戏曲小梅花荟萃活动金花奖。
2010年，获南方盛典年度影视颁奖礼金南方年度最佳新人。
2011年，获中国影响时尚盛典最美年度星光初绽奖。
2011年，获金鹰网金芒果粉丝节年度荧屏情侣-李沁&杨洋。
2013年，获SMG星尚频道《明星之旅》年度改版发布会最佳新人奖。
2014年，获国剧盛典最具潜力女演员奖。
2016年，获网易时尚跨界盛典年度最具突破女演员。
2016年，获凤凰时尚年度票选识装APP网友最爱人气演员。
2017年，获COSMO时尚美丽盛典年度美丽偶像。
2017年，获时装之夜年度盛典狂热时代解读者。
2017年，获网易年度态度大赏年度有态度最受关注演员。
2018年，获腾讯视频星光盛典年度飞跃电视剧演员。
2018年，获COSMO时尚美丽盛典年度时尚美丽偶像。
2018年，获国剧盛典青春演绎偶像。
2019年，获第三届“金色银幕奖”最佳女配角奖。
2019年，获阅文超级IP风云盛典超级IP突破演员。
2020年，获今日头条年度盛典年度魅力演员。
李沁的面相清秀，五官精美，薄薄的身体，反过来倒有一点纤弱之气，用她来演薛宝钗会使观众产生一种不一样的感受，而在她身上还有着薛宝钗那种沉稳、安静、淡定、有分寸感的性格（叶锦添、李少红、李小婉评）。
李沁出道之后诠释了众多美丽的角色。邻家女孩般可人的气质，清纯靓丽的白皙外形，加上科班出身的扎实演技，让年纪轻轻的她获得了令人羡慕的机会。而李沁纤细的身体里，也总能爆发出强大而惊人的能量，无论是在《璀璨人生》，还是在《花开半夏》里，她都有让人震撼的表演（网易、搜狐网评）。