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》 。