刘恩佑出生于云南省昆明市，他小时候的愿望是当一名飞行员。刘恩佑与童谣在中学时代是同班同学，在高考时，两人也不约而同地报考了中央戏剧学院及北京电影学院，而刘恩佑则同时被两所学校录取。
2004年，他独自一人来北京到电影学院上学，刚步入学校的时候，他就得到多位导演的青睐，并被邀请去出演影视剧，但限于学校的规定，加上他本人希望可以踏实学习基本功的意愿，直到2005年他才开始拍戏。
2005年，刘恩佑首次触电，参演了张进战执导的军旅剧《大校的女儿》，从而正式进入演艺圈。
2006年，主演刘浩执导的剧情电影《底下》，在片中担纲男主角，饰演在艺术院校学习表演的学生贾豪，这是他的首部电影作品。
2007年，刘恩佑出演首部电视剧《幸福的眼泪》，饰演顾亦航，正式进入娱乐圈。
2008年，出演成泰燊、袁弘、王洛勇主演的古装剧《天地民心》，在剧中饰演祁家最小的儿子祈元白，与吕丽萍饰演一对母子；同年，推出个人单曲《可不可以不爱你》；此外，他还参演了古装历史剧《春秋淹城》。
2009年，刘恩佑与霍思燕、李晨共同主演都市情感剧《孽缘》，刘恩佑饰演男二号郭浩东；同年出演贾静雯、吴秀波主演的家庭伦理剧《大爱无敌》；此外，他还担任了金莎《这种爱》MV的男主角。
2010年，刘恩佑主演民国家庭情感剧《兰花香》，饰演男主角汤家二少爷汤君竹，这也是刘恩佑首次担任男主角。
2011年，主演的爱情喜剧电影《婚礼告急》上映，这是刘恩佑第一部电影作品，在片中饰演袁烁。此外，他还与苗圃、斯琴高娃、罗晋合作出演了古装传奇剧《穆桂英挂帅》，在剧中饰演八贤王之子赵飞。
2012年，与莫小棋、巩新亮、谭卓合作出演都市爱情电影《擒爱记》，在片中饰演帅气多金、事业有成的黄金单身汉明远（Eric）；同年，与叶璇、莫小棋、李蓓蕾、巫迪文领衔主演年代情感剧《青春烈火》（原名《雅典娜女神》），在剧中饰演外表放荡不羁、内心正义凛然的纳兰东；6月15日，其主演的爱情悬疑电影《蓝调海之恋》上映；12月17日，其出演的古装言情剧《美人无泪》在江苏卫视首播，在剧中饰演女主角大玉儿的兄长吴克善，与袁姗姗饰演一对兄妹。
2013年，与韩雪、王琳、叶童、陈翔联合主演年代悬疑爱情剧《淑女之家》，在剧中饰演有洁癖的报社编辑简东平；7月4日，其出演的古装剧《精忠岳飞》上星播出，在剧中饰演武艺高强的“小柴王”柴桂；11月18日，与周知搭档主演的抗战剧《尖锋》首播，在剧中饰演帅气英武、极具智慧的“天狼星行动队”教官廖武。
2014年，与郑亦桐搭档主演战争剧《擒蛇》，在剧中担纲男主角，饰演军分区独立营长乔山虎；同年，与王志文、朱丹、陈好合作主演都市家庭轻喜剧《待嫁老爸》，在剧中饰演帅气多金、心地善良的黄凯迪；之后，与吕一、林伊婷、何明翰联袂主演抗战剧《刀光枪影》（原名《大道天行》），在剧中饰演身怀绝技的男主角高天行。
2015年，与林申、陈思斯合作主演都市情感剧《亲密搭档》，在剧中饰演乔天宇的保镖兼保姆马勇，并挑战了男扮女装的戏份；同年，与张雯、李雅男、贾雨萌领衔主演民国情感剧《烟花易冷》，在剧中饰演男主角易思文；之后，与何晟铭、娄艺潇合作主演年代情感剧《忘情歌》，在剧中饰演玩世不恭的男主角高文中。
2016年，其主演的民国悬疑轻喜剧《煮妇神探》在浙江卫视首播，在剧中饰演严肃冷漠、能力超群的巡捕房探长张正；同年，与战菁一、高叶、刘波合作主演抗战剧《李三枪》，在剧中饰演心思缜密且风流倜傥的男主角李三枪；之后，出演查尔斯·马丁执导的动作电影《极智追击》。
2018年，主演的电视剧《像我们一样年轻》杀青。
2019年，发行单曲《追梦的疯子》。3月29日，发行单曲《懵先生》。8月14日，主演的电视剧《好汉》在江苏城市频道第一剧场播出，在剧中饰演钱泽华。
2020年，参演电视剧《不说再见》，在剧中饰演荣耀。11月7日，主演的电视剧《致勇敢的你》开机。
极智追击 2016 导演吉勒莫-塞勒 主演奥兰多-布鲁姆、吴磊、景甜
蓝调海之恋 2012 饰演唐逸 导演郑真 主演韩栋、李芯逸
擒爱记 2012 饰演Eric 导演韩承桓 主演莫小棋 巩新亮
婚礼告急2011 饰演袁烁 导演周伟 主演夏侯琪誉
珠源情2010 饰演沙马 导演谭友业 主演李虹影
底下2007 饰演贾豪 导演刘浩
好汉 2019-08-14 饰演钱泽华 导演焦晓雨 主演乔乔
像我们一样年轻 2018-05-28 饰演韩木 导演谢泽 主演卢杉
烟花易冷 2018-04-17 饰演易思文 导演谢涛 主演张雯
忘情歌2018-02-21 饰演高文中 导演文杰 主演何晟铭、娄艺潇
那片星空那片海2 2017-10-02 饰演秦浩 导演卫翰韬 主演冯绍峰
李三枪 2017-04-21 饰演李三枪 导演林柯 主演战菁一
亲密搭档 2016-10-01 饰演马勇 导演刘国权 主演林申、张雯
煮妇神探 2016-01-08 饰演张正 导演吴锦源 主演贾乃亮、李小璐、刘萌萌
刀光枪影 2015-08-23 饰演高天行 导演张东东 主演吕一
待嫁老爸 2015-05-27 饰演黄凯迪 导演曹慧生 主演王志文、白卉子、朱丹
淑女之家 2014-05-07 饰演简东平 导演林清振 主演毛晓彤
尖锋 2013-11-18 饰演廖武 导演李小亭、三丑 主演周知、梁爱琪、吕一丁
精忠岳飞 2013-07-04 饰演小梁王 导演鞠觉亮 主演黄晓明、吴秀波、罗嘉良
雅典娜女神 2013-02-12 饰演纳兰东 导演谭俏、成志超 主演叶璇
美人无泪 2012-12-17 饰演吴克善 导演梁胜权 主演袁姗姗
春秋淹城2012-01-22 饰演木墩 导演嘉娜-沙哈提 主演程皓枫、舒畅、王泊文
穆桂英挂帅2012-01-02 饰演赵飞 导演宫晓东 主演苗圃、尹航
将军日记2011-10-08 饰演周处良 导演王奕苏 主演张超、芦芳生
兰花香 2011-05-03 饰演汤君竹 导演杨志谦 主演姚芊羽、陈昭荣
风再起时2011-00 饰演陈子杰 导演李诚儒 主演李诚儒、杨子骅
天地民心 2010-07-03 饰演元白 导演杨阳 主演袁弘、王洛勇
孽缘2010-05-07 饰演郭浩东 导演钟澍佳 主演霍思燕、李曼、岳跃利
大爱无敌 2009-11-22 饰演谢永健 导演周耀杰 主演吴秀波
幸福的眼泪 2008-07-26 饰演顾亦航 导演罗灿然 主演岳跃利、金莎
大校的女儿2005 导演张进战 主演袁立
刘恩佑的表演非常松弛、自然，他的演技过人，一双电眼更是非常迷人。刘恩佑的外形和气质非常贴合“纳兰东”这个人物，他在试戏时对于角色的揣摩非常到位。刘恩佑凭借其优质的外形条件，阳光爽朗的笑容以及自身不俗的气质，在众多现代影视剧中出演了“高富帅”角色，他也因此受到观众的喜爱，并被称作为荧屏“高富帅”专业户。荧幕中的刘恩佑一直给人以成熟魅力男人的形象，无论是出演吴克善这样的气魄大将，还是唐逸这样阳光帅气的男人，都显现出他优雅的气质。在电视剧《兰花香》中，刘恩佑用精彩的表现将汤君竹各个时期的人物状态表现得妥帖到位，也将人物从内而外的个性与特质阐释得淋漓尽致。在电视剧《亲密的搭档》中，刘恩佑用其精湛娴熟的演技塑造了一个有情有义的好搭档，也让不少观众都被剧中的兄弟情深所为之震撼；而在一组黑白时尚写真中，刘恩佑淋漓尽致地展现了其完美的身材，眼神性感而专注，造型帅气又不失质感，再与简约黑白色调相结合，演绎熟男魅力，彰显野性霸道（张进战、谭俏、北青网、腾讯、南方网评）。
