刘诗诗（原名刘诗施），1987年3月10日出生于北京市宣武区的一个回族家庭。刘诗诗出生于北京市宣武区（已并入西城区）的一个回族家庭，祖父是西河大鼓演员刘田利，父母都曾是工厂工人，后母亲因健康原因内退，而父亲则下海经商。
2011年，刘诗诗与吴奇隆在拍摄电视剧《步步惊心》时因戏生情。2013年11月13日，吴奇隆在微博上首先发布微博承认与刘诗诗的恋情，随后，刘诗诗也在微博上做出了回应，承认恋情。2015年1月20日，刘诗诗与吴奇隆登记结婚。2016年3月20日，刘诗诗与吴奇隆在巴厘岛举办婚礼。2018年12月20日，吴奇隆宣布刘诗诗怀孕喜讯，刘诗诗随后转发回应“期待”。2019年4月29日，吴奇隆公布刘诗诗生子喜讯，刘诗诗随后转发并写道“小朋友超级可爱的”。2022年2月27日，吴奇隆刘诗诗夫妇委托律师发布声明，表示已经向虚构、捏造“刘诗诗吴奇隆离婚”“吴奇隆出轨”“刘诗诗败光彩礼”“二人之间有第三者插足”等谣言的网络用户提起诉讼，以维护合法权益。
刘诗诗小时候家人曾主张让她向袁阔成学习评书，袁阔成认为女孩不适合说评书，建议她学舞蹈、表演，母亲又喜欢芭蕾，于是她6岁便开始在中央芭蕾舞团业余舞蹈学校学习芭蕾舞。小学四年级时，刘诗诗考上北京艺术学校（现北京戏曲艺术职业学校），从普通小学进入北京艺术学校中专部进行专业芭蕾舞训练，并开始了住校生活 。
2002年，在结束了五年的中专学习后，年仅15岁的她凭借自身扎实的芭蕾基础顺利考入北京舞蹈学院芭蕾舞系。由于身体条件所限，她逐渐放弃了最初成为芭蕾舞者的梦想，打算在毕业后成为一名芭蕾舞老师 。
2004年10月，本打算做芭蕾舞老师的刘诗诗在北京舞蹈学院读大三，《月影风荷》剧组到学校挑演员，原本只是去面试现场看热闹的她被意外选中，由此接拍了人生的第一部影视作品，从而开始了自己的演艺之路。而为了好听和便于记忆，导演平江锁金还特意将她的艺名取为“刘诗诗”
