电视剧《卧底》（又名《生死卧底》）由田镇、杨小波执导，李小萌、张晓龙、许一琦、普超英、关新伟、徐雷智等人出演。李小萌饰演的魏次芳，是一个从刑警学院毕业的侦查员，魏次芳在与师傅刘队执行第一次任务时，亲眼看到师傅牺牲，这给年轻的她留下阴影。上级给她安排了新的接头人，称为“老板”，在老板的带领下，她一次又一次完成各种任务，但这些只是一些小热身，更大的任务即将到来。老板让魏次芳化名姜海燕潜入鸿福集团，得到账本。魏次芳去珠海，潜入老边的色情网组织。她扮成女囚接近目标阿苦，在狱中替阿苦顶罪，两个人成为患难之交。魏次芳通过各种考验，再一次染上毒瘾，终于获得老边信任，成为老边的干女儿。最终魏次芳戒毒成功后，终于成为一名真正的警察。
很多观众最初认识李小萌是因为她14岁就闯进了青歌赛总决赛，也因年龄太小引发争议，参赛者年龄重新划定为16岁。此后她不仅在16岁再次闯进青歌赛总决赛，还参演了不少影视剧。除了《卧底》，她还参演了《爱你一世一生》，她演技不俗，两姐妹的形象在她的诠释下饱满而生动，李小萌说“对我来说，唱歌是擅长，表演更有挑战性。我越演越觉得自己什么都不是。这两年进了中戏，我对表演认识有了升华。”
李小萌凭借《谁说我不在乎》获得第21届金鸡奖最佳女配角提名。2003年，获得第4届金鹰新秀大赛新秀与最受媒体关注奖 。2006年，凭借喜剧《我不是女生》获得第5届广州大学生电影节最受欢迎新人奖，2014年3月，出演改编自路遥的同名小说的电视剧《平凡的世界》，凭借话剧《第一次的亲密接触》获得了首届北京优秀小剧场剧目展演优秀表演奖以及第三届壹戏剧大赏新锐女演员奖提名。
