1989年，还在上小学的刘芸被选进体校，学习艺术体操。1991年，广州舞蹈学院去长沙挑选学生，由于有良好的艺术体操功底，刘芸被特招进了广州舞蹈学院少女舞蹈团，进行了为期4年的专业民族舞训练。
1997年，刘芸毕业后被分配到广东南方歌舞团，成了正式的舞蹈演员。2000年，刘芸考入中央戏剧学院。
2001年，主演个人首部电视剧《三重门》，在剧中饰演“沈溪儿”一角，并凭借该剧正式进入演艺圈。
2002年，出演献礼片《走向太阳》，在片中饰演小豆子；同年，出演校园励志剧《命运的承诺》，在剧中饰演问题少女杨若榴；同年出演剧情片《青春演绎》，饰演沈溪儿。
2003年，与季晨、姚笛共同出演校园偶像剧《歌让我狂》，饰演“HAPPY女生”乐队成员麦云洁；同年，与宁静、傅艺伟共同出演古装轻喜剧《新五女拜寿》，在剧中饰演当朝吏部尚书四女儿梁暖云。
2004年，参演由董力执导的历史剧《大汉天子2》，饰演坚忍又不失可爱的“奇女子”秋婵。
2005年，与蒋勤勤、聂远共同主演古装专辑传奇剧《大汉巾帼》，饰演外表冷漠内心善良的职业杀手娟子；6月，出演由赤飞小说《无影之墙》改编的警匪电视剧《誓不罢休》，在剧中饰演英姿飒爽的警花林芳。
2006年，出演游本昌执导的武侠神话剧《了凡》，在剧中饰演雷厉风行的赵灵儿；同年客串出演梁德华执导的动作剧情片《无影剑》，在片中饰演尺素；6月，客串出演宋江波执导的悬疑侦探片《大道如天》，在片中饰演江姗姗；11月，出演梁德华执导的古装爱情剧《风尘三侠之红拂女》，在剧中饰演个性倔强不屈且沉默寡言的尺素。
2007年，登上《时代周刊》八月刊的封面；12月，与邓超、车晓共同主演都市情感剧《钻石王老五的艰难爱情》，在剧中饰演有义气的女记者于飞；同月，与高鑫、王奎荣共同主演的剧情片《梅花结》开机，在片中饰演出身显赫世家却心怀革命事业的林咏梅。
2008年，出演于敏执导的古装武侠剧《鹿鼎记》，在剧中饰演沐王府小郡主沐剑屏。
2009年，主演宋江波执导的剧情片《重归杜鹃》，在片中饰演“逃跑新娘”孙媚；8月，与周杰、王雅捷共同主演谍战剧《秘密列车》，在剧中饰演性格热烈、活泼执着的乘务员辛红羽；9月，客串出演陈国富和高群书联合执导的犯罪悬疑片《风声》；10月，与赵子琪共同主演都市情感剧《你永远不会独行》，在剧中饰演好胜心强、狂放不羁的金依楠。
2010年，主演卢伦常执导的年代爱情剧《新一剪梅》，在剧中体弱多病的悲情女万秋玲；6月，与林心如、贺军翔共同主演爱情喜剧片《活该你单身》，在片中饰演对感情患得患失的都市白领美佳；9月，参演黄力加执导的家庭情感剧《牵挂》，在剧中饰演性格倔强、爱情异常执着的袜厂女工牛建红。
2012年，与文章共同主演喜剧片《亲家过年》，在片中饰演富二代女孩郑丹丹；3月，出演杨文军执导的女性情感剧《风和日丽》，在剧中饰演米艳艳；7月，与应采儿、甘薇、熊乃瑾共同主演青春爱情网络剧《女人帮·妞儿》，在剧中饰演虚荣且自卑的自由职业者沙晶；11月，与李宗翰、李立群共同主演抗战剧情片《咆哮无声》，在片中饰演时尚靓丽的都市女孩万云。
2013年，与吴孟达、于谦共同主演喜剧情感片《大片》，在片中饰演落魄的群众演员小花；7月，与陈楚河共同主演都市爱情剧《艾乐乐的罗曼蒂克》，在剧中饰演其貌不扬、真诚善良的服装设计师艾乐乐；8月，与周渝民和刘诗诗共同主演爱情文艺片《回到爱开始的地方》，在片中饰演性格可爱直率的薇薇安；9月，参演叶伟民执导的喜剧片《一路顺疯》，在片中饰演男主角前女友美玲；11月，客串出演金琛执导的青春爱情网络剧《女人帮·妞儿第二季》，在剧中饰演沙晶。
2014年，与刘承俊、蓝燕共同主演喜剧片《硬汉奶爸》，在片中饰演业余摄影师依怜；10月，与连凯、马元共同主演喜剧片《房车奇遇》，在片中饰演痴情拉丁舞女教练Lisa；11月，与刘流、蔡琳共同主演年代喜剧《傻儿传奇》，在剧中饰演美丽动人、坚韧不屈的李若云。
2015年，参加江苏卫视美食竞技真人秀节目《星厨驾到》；6月，与郭家铭共同主演爱情青春片《再见我们的十年》，在片中饰演为了爱勇敢找回自己的琪琪；同月，与彭冠英共同主演的都市温情剧《小棉袄》开拍，在剧中饰演慕容雪；8月，参加东方卫视创意时尚真人秀节目《女神新装》。
2016年，参加湖南卫视校园纪实真人秀节目《一年级·大学季》；7月，为艾什·布兰农执导的动画影片《摇滚藏獒》中雪儿一角配音；12月，参演白杨执导的都市情感剧《老公们的私房钱》，在剧中饰演有想法、够个性的郑朵朵。
2017年，与袁弘、宋佳共同主演的都市情感剧《爱的正确标记法》开机，在剧中饰演渴望奢靡浮华生活的公司职员徐梓童；同月参加喜剧脱口秀节目《吐槽大会》；4月，参演张孝正、丁仰国执导的古装历史剧《思美人》，在剧中饰演战国妖姬、楚怀王宠妃郑袖；8月，主演陈卓执导的爱情片《高级动物的爱恋》；11月，参加浙江卫视演技竞演类节目《演员的诞生》。12月，拍摄热血青春励志剧《艳势番之新青年》，在剧中饰演芳儿。
2018年，拍摄电视剧《怦然心动的小姐姐》，饰演苏怡文。
2020年，参与芒果TV选拔综艺《乘风破浪的姐姐》，2020年6月26日播出的《乘风破浪的姐姐》，被淘汰。2021年2月26日，出演的电视剧《锦心似玉》播出。
锦心似玉 2021-2-26 饰演文姨娘 导演温德光 主演钟汉良、谭松韵
上阳赋2021-1-9 饰演苏锦儿 导演侯咏、程源海 主演章子怡、周一围
生活像阳光一样灿烂 2020-8-10 饰演徐梓童 导演赵轶超 主演宋佳、袁弘
怦然心动的小姐姐2020-07-28 饰演苏怡文 导演杨宗德 主演宋铭宇
小棉袄2018-07-30 饰演慕容雪 导演林合隆 主演彭冠英
热血同行2020-01-20 饰演芳儿 导演刘一志 主演黄子韬、易烊千玺
思美人2017-04-28 饰演郑袖 导演张孝正、丁仰国 主演乔振宇、马可、张馨予
傻儿传奇2014-11-07 饰演李若云 导演刘流 主演刘流、蔡琳
产科男医生2014-05-07 饰演客串 导演周德华 主演贾乃亮、李小璐
我的儿子是奇葩2014-03-06 饰演客串 导演汪俊 主演佟大为、关悦
小爸爸 2013-09-02 饰演早婚女（客串） 导演文章 主演文章、马伊琍、朱佳煜
失恋33天2013-08-14 饰演电影院观众（客串） 导演刘恺 主演姚笛、张默、沈佳妮
艾乐乐的罗曼蒂克2013 饰演艾乐乐 导演习辛 主演陈楚河、李金哲、潘晓莉
风和日丽2012 饰演米艳艳 导演杨文军 主演李晨、马伊琍、尤勇
北京爱情故事2012 饰演咪咪（客串） 导演陈思成 主演陈思成、佟丽娅、张歆艺
女人帮·妞儿2012 饰演沙晶 导演金琛 主演应采儿、熊乃瑾、甘薇
河洛康家2010 饰演崔月红 导演潘军 主演陶红、巍子、胡海峰
牵挂2010 饰演牛建红 导演黄力加 主演张国强、牛莉、张博
新一剪梅2010 饰演万秋玲 导演卢伦常 主演霍建华、陈思成、吕一
了凡2009 饰演赵灵儿 导演游本昌 主演李解、游本昌、杨明娜
高级动物的爱恋2017-08 导演陈卓 主演郭家铭、焦刚
再见我们的十年2015-06 饰演琪琪 导演孙皓 主演郭家铭
房车奇遇2014-10 饰演Lisa 导演路阳 主演连凯、马元
硬汉奶爸2014-04-11 饰演依玲 导演李奥 主演王一鸣、刘承俊
一路顺疯2013-09-29 饰演美玲 导演叶伟民 主演陈思成、包贝尔、蒋梦婕
回到爱开始的地方2013-08-23 饰演薇薇安 导演林孝谦 主演周渝民、刘诗诗、周一围
大片2013-06-11 饰演小花 导演向飞 主演吴孟达、于谦、王宁
咆哮无声2012-11-02 饰演万云 导演萧锋 主演李宗翰、李立群、恬妞
亲家过年2012-01-18 饰演郑丹丹 导演叶伟民 主演文章、蔡明、张丰毅
活该你单身2010-06-13 饰演美佳 导演蔡心 主演贺军翔、林心如、爱戴
风声2009-09-29 饰演护士 导演陈国富、高群书 主演周迅、李冰冰、黄晓明
重归杜鹃2009 饰演孙湄 导演宋江波、杨晶 主演何伟、王博
梅花结2008 饰演林咏梅 导演赵广斌 主演高鑫、王奎荣
大道如天2006 饰演姗姗 导演宋江波 主演张瑜、郑晓宁、董勇
走向太阳2002 饰演小豆子 导演宋江波 主演吴军、伊春德、张晶晶
小猪佩奇过大年2019-2-5 饰演猪妈妈 导演张大鹏 主演朱亚文
2008年5月18日，策划艺术品赈灾募捐拍卖会，筹集善款15万元；22日，参加绿丝带行动，身系绿丝带录制赈灾公益歌曲《生命之眼》。2009年12月18日，参加“嫣然天使基金慈善晚宴”。
2011年1月25日，参加“2011爱与未来北京慈善之夜”公益慈善晚宴，并获封“慈善爱心大使”称号；10月，拍摄《时尚健康》2011年度粉红特刊，并被授予“粉红大使”的称号，同时出席了“年度粉红丝带盛典”；11月16日，出席“JAVECE 2011臻致-关爱”慈善晚宴。
2012年11月22日，出席“金太阳温暖之夜”慈善盛典。2013年1月3日，参加成龙慈善基金会公益活动。2015年，作为爱心大使参加了“暖流计划”志愿者主办的以“温暖童行”为主题的慈善活动。
2016年10月17日，被中华少年儿童慈善救助基金会任命为“微笑‘童’行”大使；11月，作为“暖流计划”爱心大使赴湖北省蕲春县慰问当地温泉小学的留守儿童。2017年3月，参加由中国儿童少年基金会发起并组织实施的“春蕾计划”。
刘芸不仅外形出众、天姿过人，更是拥有扎实的舞蹈功底，主演的电视剧也给观众留下了深刻的印象，而在电影《走向太阳》之中刘芸更是凭借丰厚的文化底蕴在其中一鸣惊人。她甜美性感，不仅是诸多时尚杂志封面上的宠儿，也是众多女孩纷纷效仿的可爱偶像，清秀亮丽的外形，加上百变多面的灵动气质，仿佛具有无穷潜力和可塑性，令人充满无限遐想。（新浪评）
刘芸是一名实力派演员，不断颠覆自我形象、挑战演技突破，堪称内地百变小花旦。在都市女性情感剧《女人帮·妞儿》中出演的金钱至上的拜金女沙晶给众多观众留下了深刻的印象，在《风和日丽》中饰演的“白富美”米艳艳一角又以甜美的扮相、优雅的气质、为爱执着的性格备受观众喜爱，不仅突破了自我，也让观众看到了另一面的刘芸，堪称演技的又一次爆发，也得到了观众及专业人士的一致好评。（腾讯、网易评）
