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惟一学员，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《保镖之翡翠娃娃》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《皇宫宝贝》饰演玉茗格格。2002年出演电视剧《浪迹天涯》饰演陶剑秀，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年的谍战影片《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。

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。