2001年，石小群被导演尤小刚选中出演了她的首部影视作品，在与曹颖、赵鸿飞、戴娇倩合作出演的电视剧《凤在江湖》中饰演梅蝶，正式从越剧演员转型进入影视圈。

2004年，在电视剧《非常24小时》中石小群第一次挑起大梁饰演女一号夏末与胡兵上演了一场惊心动魄的爱情。

2005年，石小群在电视连续剧《情断上海滩》中饰演盲女姚玲，正是这个角色，教会了她如何用心去表演。之后，石小群与马景涛、陈德容合作出演了“秘史系列”《太祖秘史》，在剧中饰演孝慈高皇后叶赫那拉·孟古一角，凭借其获得“第十五届北京影视春燕奖”最佳女配角。同年，石小群领衔主演都市爱情剧《白色情人梦》，饰演女一号叶诗颖，合作演员金沛辰、汤镇宗、张晨光。

2006年，石小群与夏雨、钟汉良、胡静、蔡琳合作主演了“前清秘史剧”系列的终结篇——《康熙秘史》， 

石小群在剧中饰演了清圣祖惠妃 ；随后，石小群又与李冰冰、黄海冰、陈龙共同出演了传奇剧《再生缘之孟丽君传》。

2007年，石小群与袁立、钟汉良合作主演了根据著名女作家虹影的同名小说改编的年代剧《上海王》，石小群在剧中饰演了辛荔荔；同年，石小群与六小龄童、迟重瑞、马德华、马苏共同主演了大型神话3D立体电视剧《吴承恩与西游记》，石小群在剧中一人分饰三角，饰演的白雪艳与六小龄童出演的吴承恩有着千丝万缕的情感纠葛，吴承恩将白雪艳那温婉美丽的形象化成了《西游记》里那个为爱痴狂的女儿国国王，剧中第三个形象——英姿飒爽的黄素娥。此外，石小群还主演了电影《说好不管我》，饰演身患绝症的北漂女孩。随着电影《说好不管我》的上映，石小群影迷会在石小群的影响下，自发成立了公益组织“小群心灵护慰队”

2008年，石小群与黄维德、刘德凯、赵文瑄、冯远征合作出演了根据袁道之白莉小说《紫色密码》改编的中国第一代海归秘史《对手》，石小群在剧中饰演林琴；同年，石小群发行个人首张EP单曲《说好了一辈子在一起》，MV特邀香港歌手、演员陈小春出任MV男主角，与石小群上演了一场经典的爱情故事，配以唯美的画面和动人的旋律，这首MV将给广大观众留下深刻的影响。同时，这首歌被尤小刚导演选中成为电视剧《对手》的片尾曲21 。之后，石小群又与袁立、黄维德、佟丽娅共同主演了古装剧《母仪天下》，剧中石小群一人分饰了李元儿和李美人两个角色 。

2009年，石小群与殷桃、黄秋生、李承铉、叶璇、何赛飞、王洛勇合作出演了“秘史系列”史诗巨篇《杨贵妃秘史》，在剧中饰演杨贵妃闺蜜谢阿蛮，并倾情献唱该剧片尾曲《时光流转》。同年还零片酬倾情出演电影《大震撼》饰演女一号步兵，纪念“5.12”汶川地震三周年。

2010年，石小群与俞灏明、谭耀文、陈彦妃共同主演了青春励志电视剧《8090向前冲》，饰演80后 为梦想打拼的北漂女孩文静。随后，石小群发布个人成长单曲《告白》，这首满载情感的歌曲是小群为兑现歌迷们的承诺而首次欣然作词，并且在繁重的拍戏之余亲历亲为参与了歌曲的前期创作、演唱、后期制作及MV拍摄等全程制作。

2011年成立石小群工作室，随后，与刘诗诗、吴奇隆、郑嘉颖合作根据桐华同名小说改编的清宫夺嫡大戏《步步惊心》，在剧中饰演为爱痴狂的八福晋郭络罗·明慧。

2012年，石小群主演了由编剧石钟山加盟华谊兄弟后拍摄的第二部作品《追逃》，在剧中饰演京剧名伶苏柳一角，剧中十几套美轮美奂的旗袍装扮，更被誉为“旗袍皇后”。同年，石小群与舒畅、陈键锋、乔振宇主演改编自原作者瞬间倾城的小说《烟火阑珊》的年代情感大戏《烽火佳人》，在剧中饰演一名敢爱敢恨的女杀手闵茹。之后，石小群与刘诗诗、胡歌、彭于晏合作主演根据桐华同名小 

说改编的传奇剧《大漠谣》，在剧中饰演霸气的昭阳公主，据悉，《大漠谣》已更名为《风中奇缘》，于2014年10月1日登陆湖南卫视砖石剧场。

2013年，石小群与王耀庆、舒畅、迟帅、吴若普合作，友情加盟出演了古装历史大剧《大清宝典》，石小群在剧中饰演乾隆皇贵妃秋影。同年，石小群参演了由明道、李沁、胡兵主演的时尚偶像剧《如果我爱你》，在剧中饰演霸气外露最具风骨的女强人丁桂，该剧已于2014年5月4日在湖南卫视开播。