李纯，出生于安徽芜湖。因为父亲要求培养女孩的安静沉稳、秀外慧中的气质，所以从小就让她学习绘画。但李纯天生好动，喜欢蹦蹦跳跳，1998年小学四年级时十岁的李纯离开家乡考取北京舞蹈学院附中学习芭蕾舞。2005年毕业于北京舞蹈学院附中。李纯受聘于上海芭蕾舞团担任舞蹈演员，曾在古典芭蕾舞剧《天鹅湖》中担任“四小天鹅”角色，2007年随团赴美国巡演大型芭蕾舞剧《梁祝》。2009年，工作三年21岁的李纯感叹舞蹈艺术的青春短暂，出于对表演的兴趣，报考了北京电影学院并顺利被录取到北京电影学院表演系2009级本科2班，并在2013年6月学满毕业。
2010年10月，北京电影学院60周年校庆，张艺谋回学校参加庆典活动，因为李纯舞蹈才艺给张艺谋导演留下了深刻的印象，试镜后两个月后冬至那天李纯接到电影《金陵十三钗》剧组通知而进组。
2011年1月10日，战争史诗片《金陵十三钗》在南京石湫影视基地正式开机，李纯和一同进组的演员一起签保密协议，一同训练，学习打麻将、抽烟，学秦淮歌女的风姿。李纯因不是南京人不会南京话，所以饰演的秦淮歌女没有一句台词。2011年12月15日，《金陵十三钗》在北京全国政协礼堂举行首映仪式，李纯带领其余十二钗翩翩起舞。该片最终票房超过6亿，获得2011年华语片票房冠军。
2012年6月5日，李纯与斯琴高娃、聂远、中野良子、中泉英雄等中日演员合拍中国首部观音题材电影《不肯去观音》开机，片中饰演清丽可人、善良仁爱的观音菩萨化身莲妹。该片在2013年第37届蒙特利尔国际电影节上获得“世界优秀电影奖”。同年出演刘奋斗导演的微电影《剪刀石头布》。
2013年8月1日，由佟丽娅主演的都市婚恋爱情轻喜剧《大都市小爱情》开机，剧中饰演苏勤。
2013年9月16日，张艺谋导演的国内首次采用了4K高视效制作技术、中国电影史上首部IMAX文艺片《归来》开机。李纯片中饰演崔美芳。该影片于2014年5月16日在全国上映并入选为第67届戛纳国际电影节特别展映单元影片，该片获得第34届香港电影金像奖最佳两岸华语电影。
2014年5月6日，由慈文传媒出品，根据Fresh果果同名小说改编的古装玄幻仙侠剧《花千骨》在广西正式开机。李纯剧中饰演高冷傲娇蓬莱岛富二代霓漫天。该剧于2015年6月9日登陆湖南卫视钻石独播剧场首播。
2015年7月20日，由福建本土原创制作电影《海角有个五店市》在晋江开机，李纯在剧中饰演单纯阳光的小白领陈楠。9月，电影《藏地密码》开机，出演女一号唐敏。