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。