刘孜出生在贵州省的遵义市。爷爷给她起了一个单名“孜”字，是希望她能在日后的学习和工作中孜孜不倦。刘孜12岁离开家到北京舞蹈学院上学，16岁考入北京电影学院，与徐静蕾、刘琳是同学。
1997年，刘孜从电影学院毕业后一直在拍戏，《永远有多远》里是徐帆的“情敌”，《我这一辈子》演张国立的“前妻”，《濠江有情》中是汤镇宗的“恋人”，《告密者》中与柳云龙、张嘉译开展在刚刚解放后的一次扑朔迷离的谍战剧等。同年参演《危情时刻》，剧中饰女主角并搭档与张国立；参演《女巡按之真假公主》，担任女主角，搭档与陈道明、陈宝国；参演《神雕侠侣》，饰演陆无双，与任贤齐合作出演。
1998年，参演《金融风暴》，饰演女主角尤枫；参演《财神到之财神疼好人》并出任女主角；随后参演《签约季节》，剧中担任女主角。
1999年，出演《侠女闯天关》，出任女二号雪子。
2000年，出演《永远有多远》，饰演女主角西单小六。
2001年，参演《曼谷雨季》，与演员许亚军合作，出演女一号；参演《白领公寓》并担任女一号，搭档韩国演员安在旭。在《我这一辈子》中饰女主角大妹。
2002年，参演《黑柬》，饰演女一号，与于荣光、高曙光合作。
2003年，参演《布衣知县梵如花》，剧中刘孜饰演暗恋张国立的少女玲珑。
2005年，和冯巩老师合演的《心急吃不了热豆腐》。参演古装戏是《还我清白》。参演著名导演何群力作《爸爸别哭》。
2009年，主演国产喜剧片《盗版猫》。
2013年，在电影《怒放之青春再见》中刘孜与潘粤明饰演一对夫妻。在中国首部气候主题网络公益微电影《红苹果》担任主演。
2014年，参演由滕华涛导演、鲍鲸鲸编剧，倪妮、井柏然主演的电影《等风来》，片中刘孜饰演的主编凭借对倪妮针针见血的犀利“吐槽”意外获得众多观众“点赞”。在大型年代传奇大戏《大漠苍狼》，刘孜饰演廖小柠。
2015年，与张国强合作爱情喜剧电影《非常同伙》。
2016年，主演电影《碧血丹砂》，电视剧《将军在上》饰演祁王妃姬玉。
2017年，出演电影《麦子的盖头》，与姜武主演电视剧《上海五虎》，优酷自制剧《上海女子图鉴》饰演拥有完美独立的人格4A公司高管Scarlett。
2018年，与张嘉译、闫妮合作主演电视剧《少年派》，与李光洁、蒋欣、郭京飞合作主演电视剧《我们这些年》。
2019年，出演现实题材电视剧《在不安的世界安静的活》。
2020年，参加的综艺节目《见字如面》第四季在腾讯视频播出；12月12日，参加的综艺节目《我就是演员3》定档在浙江卫视播出；12月21日，参演的电视剧《了不起的女孩》定档在爱奇艺播出，在剧中饰演宋妍。
麦子的盖头 2018 导演鲁坚 主演王挺，徐岑子
非常同伙 2017 导演王大治 主演张国强
碧血丹砂 2017 导演司小冬 主演张家鼎，刘长德
浪漫从天降2014 导演宁瀛 主演夏雨
怒放20132013 饰演安静 导演卢庚戌 主演潘粤明
等风来2013 饰演Lily 导演滕华涛 主演井柏然，倪妮
我和你2012 饰演法官(客串) 导演扈耀之
寻龙夺宝2010 主演马里奥·安德鲁西奥
盗版猫2008 饰演茂茂 导演高艺鑫 主演孙楠
心急吃不了热豆腐2005 饰演陈红 导演冯巩 主演冯巩，徐帆
我们这些年 2019 饰演萧晴 导演梦继 主演蒋欣，郭京飞
少年派 2019 饰演裴音 导演刘惠宁，李少飞 主演张嘉译，闫妮
上海五虎 2019 导演朗辰 主演张子健，刘奕君，姜武
上海女子图鉴 2018 饰演赵嘉 (斯嘉丽) 导演程亮 主演盛一伦，王真儿
北京女子图鉴2018 饰演高飞 导演黎志 主演戚薇，王啸坤
将军在上 2017 饰演姬玉 导演文杰，霍耀良 主演马思纯，盛一伦
我的老婆大人是八零后2014 饰演坤嫂 导演刘进 主演杜淳，李小冉，张嘉译
玫瑰炒肉丝2012 饰演杨二辉 导演李木戈 主演左小青，李乃文
浪漫满屋22012 饰演华明 导演金孝贤 主演鲁敏宇，黄静茵
大漠苍狼2012 饰演廖小柠 导演孙文学 主演黄志忠，左小青
乱世望族2011 饰演知莲 主演王斑，陈志朋
告密者2010 饰演孔雀 导演刘进 主演柳云龙，张嘉译
秋霜2009 饰演秋霜 导演范秀明 主演于小伟
花篮花儿香2008 饰演红石榴 导演金琛 主演曾黎，吕行
西游记2008 饰演铁扇公主 导演程力栋 主演陈司翰，谢宁，牟凤彬
狙击手2008 饰演苏云晓 导演高希希 主演佟大为，邵峰
军礼2008 饰演赵果
世纪不了情2007 饰演林梦娴 导演陈健 主演郭晓冬，归亚蕾
让爱自由2006 饰演心怡 导演曾丽珍 主演古巨基，杨千嬅，苏永康
鹿鼎记2006 饰演方怡 导演张纪中 主演黄晓明，钟汉良
2010-12 第2届澳门国际电影节最佳女配角奖 我和你 （提名）
2008 新浪电视剧排行榜2008年第二季度评选最佳荧屏情侣奖 鹿鼎记 （获奖）
2019 Zi·异形马克杯 （获奖）
2018 陈设中国·晶麒麟奖生活艺术家 （获奖）
2014 江苏卫视星厨驾到第一季第二名 （获奖）
2008 BQ红人榜年度时尚红人 （获奖）
2008 《时尚家居》八周年“最时尚家居”典礼的最具品味大奖 （获奖）
2014年在《等风来》中刘孜饰演倪妮的上司，在电影中戏份并不多，几场对职场的犀利“吐槽”堪称字字珠玑，获得观众好评，被评为“高于原著”的经典角色（网易娱乐评）。
