2001年，石小群被導演尤小剛選中出演了她的首部影視作品，在與曹穎、趙鴻飛、戴嬌倩合作出演的電視劇《鳳在江湖》中飾演梅蝶，正式從越劇演員轉型進入影視圈。

2004年，在電視劇《非常24小時》中石小群第一次挑起大梁飾演女一號夏末與胡兵上演了一場驚心動魄的愛情。

2005年，石小群在電視連續劇《情斷上海灘》中飾演盲女姚玲，正是這個角色，教會了她如何用心去表演。之後，石小群與馬景濤、陳德容合作出演了“秘史系列”《太祖秘史》，在劇中飾演孝慈高皇后葉赫那拉·孟古一角，憑藉其獲得“第十五屆北京影視春燕獎”最佳女配角。同年，石小群領銜主演都市愛情劇《白色情人夢》，飾演女一號葉詩穎，合作演員金沛辰、湯鎮宗、張晨光。

2006年，石小群與夏雨、鍾漢良、胡靜、蔡琳合作主演了“前清秘史劇”系列的終結篇——《康熙秘史》， 

石小群在劇中飾演了清聖祖惠妃 ；隨後，石小群又與李冰冰、黃海冰、陳龍共同出演了傳奇劇《再生緣之孟麗君傳》。

2007年，石小群與袁立、鍾漢良合作主演了根據著名女作家虹影的同名小說改編的年代劇《上海王》，石小群在劇中飾演了辛荔荔；同年，石小群與六小齡童、遲重瑞、馬德華、馬蘇共同主演了大型神話3D立體電視劇《吳承恩與西遊記》，石小群在劇中一人分飾三角，飾演的白雪艷與六小齡童出演的吳承恩有著千絲萬縷的情感糾葛，吳承恩將白雪艷那溫婉美麗的形象化成了《西遊記》里那個為愛痴狂的女兒國國王，劇中第三個形象——英姿颯爽的黃素娥。此外，石小群還主演了電影《說好不管我》，飾演身患絕症的北漂女孩。隨著電影《說好不管我》的上映，石小群影迷會在石小群的影響下，自發成立了公益組織“小群心靈護慰隊”

2008年，石小群與黃維德、劉德凱、趙文瑄、馮遠征合作出演了根據袁道之白莉小說《紫色密碼》改編的中國第一代海歸秘史《對手》，石小群在劇中飾演林琴；同年，石小群發行個人首張EP單曲《說好了一輩子在一起》，MV特邀香港歌手、演員陳小春出任MV男主角，與石小群上演了一場經典的愛情故事，配以唯美的畫面和動人的鏇律，這首MV將給廣大觀眾留下深刻的影響。同時，這首歌被尤小剛導演選中成為電視劇《對手》的片尾曲[21] 。之後，石小群又與袁立、黃維德、佟麗婭共同主演了古裝劇《母儀天下》，劇中石小群一人分飾了李元兒和李美人兩個角色 。

2009年，石小群與殷桃、黃秋生、李承鉉、葉璇、何賽飛、王洛勇合作出演了“秘史系列”史詩巨篇《楊貴妃秘史》，在劇中飾演楊貴妃閨蜜謝阿蠻，並傾情獻唱該劇片尾曲《時光流轉》。同年還零片酬傾情出演電影《大震撼》飾演女一號步兵，紀念“5.12”汶川地震三周年。

2010年，石小群與俞灝明、譚耀文、陳彥妃共同主演了青春勵志電視劇《8090向前沖》，飾演80後 為夢想打拚的北漂女孩文靜。隨後，石小群發布個人成長單曲《告白》，這首滿載情感的歌曲是小群為兌現歌迷們的承諾而首次欣然作詞，並且在繁重的拍戲之餘親歷親為參與了歌曲的前期創作、演唱、後期製作及MV拍攝等全程製作。

2011年成立石小群工作室，隨後，與劉詩詩、吳奇隆、鄭嘉穎合作根據桐華同名小說改編的清宮奪嫡大戲《步步驚心》，在劇中飾演為愛痴狂的八福晉郭絡羅·明慧。

2012年，石小群主演了由編劇石鐘山加盟華誼兄弟後拍攝的第二部作品《追逃》，在劇中飾演京劇名伶蘇柳一角，劇中十幾套美輪美奐的旗袍裝扮，更被譽為“旗袍皇后”。同年，石小群與舒暢、陳鍵鋒、喬振宇主演改編自原作者瞬間傾城的小說《煙火闌珊》的年代情感大戲《烽火佳人》，在劇中飾演一名敢愛敢恨的女殺手閔茹。之後，石小群與劉詩詩、胡歌、彭于晏合作主演根據桐華同名小 

說改編的傳奇劇《大漠謠》，在劇中飾演霸氣的昭陽公主，據悉，《大漠謠》已更名為《風中奇緣》，於2014年10月1日登入湖南衛視磚石劇場。

2013年，石小群與王耀慶、舒暢、遲帥、吳若普合作，友情加盟出演了古裝歷史大劇《大清寶典》，石小群在劇中飾演乾隆皇貴妃秋影。同年，石小群參演了由明道、李沁、胡兵主演的時尚偶像劇《如果我愛你》，在劇中飾演霸氣外露最具風骨的女強人丁桂，該劇已於2014年5月4日在湖南衛視開播。