1996年参演个人首部电视剧《保镖之翡翠娃娃》，从而进入演艺圈。

　　2000年出演由赵宝刚执导的年代剧《像雾像雨又像风》，在剧中饰演气质高贵的舞女安琪；同年与吴若甫搭档主演了古装剧武侠剧《浪迹天涯》。

　　2001年与邵峰、卓凡合作拍摄的古装剧《皇宫宝贝》播出；此外，她还拍摄了时装情感剧《爱在阳光灿烂时》，在剧中饰演出身单亲家庭的钢琴教师林心彤；同年出演由马精武、靳德茂联合执导的古装宫廷喜剧《流氓太医》。

　　2002年10月主演由北京紫禁城影业有限责任公司出品的武侠剧《金蚕丝雨》，在剧中扮演女主角独孤凤。

　　2003年参演改编自小说《雪后多伦多》的情感剧《别了,温哥华》，在剧中饰演个性泼辣的杨夕；5月30日主演的古装剧《刺虎》播出；同年与杜雨露、宋春丽合作拍摄了家庭伦理剧《家变》。

　　2004年与张智霖、钟汉良搭档主演了改编自温瑞安同名小说的古装武侠剧《逆水寒》，在剧中扮演毁诺城城主息红泪。

　　2005年出演由车凯颂执导的古装剧《大清洗冤录》；8月与赵文卓、吕良伟、蔡少芬合作拍摄了古装武侠剧《七剑下天山》；9月主演电视剧《金茂祥》，在剧中扮演开朗大方的女主角徐小曼；此外，她还拍摄了情感剧《巴黎童话》，在剧中饰演时装设计师蓝妮。

　　2006年7月在何润东、袁泉主演的爱情偶像剧《白屋之恋》中饰演尹童的母亲童蕾；7月19日参演的都市情感剧《可可西里》播出，在剧中饰演体育老师马二姐，该剧获得了第5届北京市文学艺术奖；7月27日参演叶伟信执导的动作片《龙虎门》。

　　2007年在许玮伦、立威廉主演的爱情偶像剧《想飞》中饰演模特湘湘；4月主演都市爱情剧《为爱结婚》，在剧中饰演胡子冲的爱人陆弥；12月参演改编自巴金同名小说的年代剧《家》，在剧中扮演高觉新的表妹钱梅芬；同年出演了谍战剧《功勋》。

　　2008年8月25日主演的年代剧《凤穿牡丹》播出，李小冉凭借该剧获得南方电视台“2008南方盛典颁奖礼”年度最佳女主角；同年主演谍战剧《夜幕下的哈尔滨》，在剧中饰演胸外科医生卢秋影；11月主演剧情片《过界》。

　　2009年4月15日主演的军旅剧《军医》播出；11月主演年代剧《故梦》，在剧中扮演陆天恩的第三任妻子汪莲君；12月在邓超、范冰冰主演的年代剧《人间情缘》中饰演虚荣的女护士秦倩。

　　2010年1月搭档杜淳出演了电视剧《南下》；4月参演了谍战片《东风雨》；7月主演了爱情片《无人驾驶》，在片中饰演志雄的妻子常青；8月30日主演的民国剧《来不及说我爱你》播出。

　　2011年4月主演了情感剧《春暖花开》，在剧中饰演做事认真讲原则的叶晓薇；7月主演爱情片《一夜未了情》，在片中饰演空姐顾婷；12月主演的都市爱情剧《多多的婚事》播出。

　　2013年2月出演的爱情片《爱情不NG》上映；5月主演年代剧《莲花》；7月31日与马苏、刘涛共同主演的都市情感剧《今夜天使降临》播出，在剧中饰演产科医生林婷；10月参演杨文军执导的电视剧《独有英雄》；同年出演了谍战剧《风筝》，在剧中饰演国民党中统女特工林桃。

　　2014年2月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；同年先后拍摄了都市情感剧《姐妹兄弟》和抗战剧《激战》。

　　2015年出演了谍战剧《追击者》；8月与王耀庆搭档主演了年代剧《毕业歌》；12月与杜淳共同主演了都市情感剧《老婆大人是80后》；此外，她还和蒋雯丽、郭晓东合作拍摄了情感剧《嘿，孩子》，在剧中饰演电台女主播贾元元。

　　2016年在李易峰、周冬雨主演的谍战剧《麻雀》中饰演信仰坚定的革命主义者沈秋霞；4月出演都市情感剧《下一站，别离》。