2000年，14岁的李思思获得了张艺谋作品《幸福时光》女主角的面试机会，但最终未能出演。2001年起，担任吉林卫视音乐节目《唱片街》的嘉宾主持。2004年，参加北京广播学院举办的“新苗杯”中学生主持人大赛，并获吉林赛区亚军；同年，在北京大学担任《北大新闻》的主播。
2005年8月至10月，参加中央电视台综艺频道《挑战主持人》节目，并成为该节目第一位八期女擂主。2006年，李思思再次参加央视《挑战主持人》，获得综艺节目主持人全国选拔赛季军。2007年，主持中央电视台春节歌舞晚会，同年，担任第七届中韩歌会主持人。
2008年，与撒贝宁、舒冬、耿姝以及来自瑞士的留学生朱索菲同台主持北京大学校庆110周年晚会。2009年，主持第五届中国（三亚）国际电视广告艺术节颁奖晚会，主持第五届CCTV电视舞蹈大赛。
2010年9月29日，主持东北师范大学附属中学校庆60周年庆典。2011年，开始与管彤、张蕾主持中央电视台综艺频道推出的挑战类综艺节目《欢乐英雄》；同年，与毕福剑、张蕾、管彤、尼格买提等8位联袂主持春晚倒计时八小时特别节目。
2012年1月22日晚，与朱军、李咏、董卿、毕福剑、撒贝宁共同主持中央电视台春节联欢晚会，这也是她首次登上春晚舞台；2月6日，出任中央电视台元宵晚会主持人；6月11日，与上海主持曹可凡搭档，主持上海电视节开幕式晚会；11月16日，与浙江卫视主持人华少联合主持“河南淮滨第二届淮河文化周文艺晚会”；12月31日，主持启航2013——中央电视台元旦晚会。
2013年2月9日，再次与朱军、李咏、董卿、毕福剑、撒贝宁共同主持中央电视台蛇年春节联欢晚会；同年4月1日-5月17日，李思思与尼格买提主持CCTV“第15届青年歌手大赛决赛”。2014年1月30日，与张国立、朱军、董卿、毕福剑联袂主持中央电视台马年春节联欢晚会。
2015年，再次成为中央电视台春节联欢晚会主持人，与朱军、董卿、康辉、撒贝宁、毕福剑、朱迅、尼格买提等一同主持；10月16日，与马跃搭档主持中央电视台综艺频道推出的才艺表演类节目《有朋远方来》；11月29日，与尼格买提主持央视综艺频道互动类综艺节目《我要上春晚》；12月31日，与朱军、董卿、撒贝宁、王小丫、李佳明、尼格买提、鲁健、张斌、欧阳夏丹、月亮姐姐等共同主持《启航2016》跨年特别节目。
2016年2月7日晚，担任中央电视台羊年春节联欢晚会主持，与周涛、朱军、董卿、撒贝宁、尼格买提合作；2月22日晚，担任中央电视台元宵晚会主持，与周涛、朱军、董卿、撒贝宁、尼格买提合作。2018年2月15日，与康辉、朱迅、任鲁豫、尼格买提共同担任中央电视台狗年春节联欢晚会主会场主持人；3月2日，担任中央电视台元宵晚会主持人。2019年1月1日，与董卿、康辉、朱迅、李佳明、尼格买提、段纯、刘晶晶主持《放歌新时代——2019新年特别节目》；1月29日，与任鲁豫搭档主持央视科教频道推出的生态文化节目《绿水青山看中国第二季》；2月4日，担任中央电视台猪年春节联欢晚会北京主会场主持人，与康辉、朱迅、任鲁豫、尼格买提合作；5月4日，与任鲁豫、尼格买提、王俊凯、俞熙雯共同主持“五月的鲜花”全国大中学生文艺会演；10月，与任鲁豫、张蕾、张泽群共同主持中央广播电视总台“心连心”艺术团赴北京大兴国际机场慰问演出；12月31日，与董卿、任鲁豫、朱迅、尼格买提、马跃、李梓萌、刚强、蓝羽、屠化等主持《启航2020——中央广播电视总台跨年盛典》。
2020年2月9日，与康辉、董卿、任鲁豫、尼格买提等央视主播演唱《你安好，我无恙》，向一线抗击疫情的工作者致敬；3月，在中央广播电视总台央视综艺频道推出的系列专题节目《战“疫”故事》中担任讲述人；4月4日，与任鲁豫、张蕾、马跃、尼格买提共同主持央视综艺频道清明节主题晚会《战“疫”正清明》；5月4日，与任鲁豫、李梓萌、尼格买提、陈星、朱迅共同主持《奋斗的青春最美丽——2020年五四青年节特别节目》；5月12日，与任鲁豫、尼格买提共同主持央视综艺频道推出的5·12国际医护节晚会《天使礼赞》；8月25日，与任鲁豫、张蕾、杨帆共同主持央视综艺频道推出的七夕节特别节目《天下有情人·此夕最相思》；9月9日，与全国100多位主持人共同参与的中央广播电视总台特别节目《新时代最可爱的人》在央视综合频道、综艺频道、央广音乐之声、文艺之声首播；11月7日，出任主持人兼制作人的非遗服饰文化传播节目《衣尚中国》在总台央视综艺频道开播；12月31日，与康辉、董卿、任鲁豫、朱迅、尼格买提共同等主持《启航2021——中央广播电视总台跨年盛典》。
2021年1月29日，与尼格买提、梅卿源、卓然共同主持的中央广播电视总台首届《中国歌曲TOP排行榜》颁奖晚会在央视综艺频道、音乐之声、经典音乐广播等同步播出；2月10日，与杨帆担任央视综艺频道春节特别节目《东西南北贺新春》河北张家口崇礼分会场的主持人；2月11日，与任鲁豫、尼格买提、龙洋、张韬共同主持中央广播电视总台春节联欢晚会；2月26日，她还与康辉、任鲁豫、尼格买提、李梓萌共同主持了中央广播电视总台元宵晚会；5月4日，与任鲁豫、尼格买提、龙洋共同主持《奋斗正青春——2021年五四青年节特别节目》；6月14日，与杨帆、韩雪、田雨共同主持的端午节特别节目《端午好时节》在中央广播电视总台央视综艺频道播出；8月，与康辉、朱迅、任鲁豫、杨帆、张韬、王冰冰、维妮娜共同主持中央广播电视总台七夕晚会；8月，参加央视频综艺《央young之夏》，加入“康庄大道会赢队”战队；10月15日，参加“2021中国时尚盛典”，担任“风尚解读人”；12月11日，参加的文博探索节目《国家宝藏·展演季》在央视综艺频道播出，她在节目中作为《万岁通天帖》的创演者。
2022年1月，以戏曲学员的身份中央广播电视总台春节戏曲晚会新媒体衍生节目《年年有戏》。1月31日，与任鲁豫、尼格买提、撒贝宁、马凡舒共同担任中央广播电视总台虎年春节联欢晚会的主持人；2月14日，参加CCTV-17特别节目“乡聚中国年”之《田园灯谜大会》，担任“出题官”。2月15日，担任《2022年中央广播电视总台元宵晚会》主持人；3月，李思思参加了三八国际妇女节特别节目《花开中国》。
2022年5月，李思思出现在央视“中视购物”相关节目中。
