1978年3月23日，劉燁生在長春市一個電影之家，父親劉建華是長春電影制片廠的燈光師，母親武燕雙是長影廠職工。1996年，17歲的劉燁考入中央戲劇學院96級，成為了班上年齡最小的男孩。沒有任何表演經驗的劉燁，在中戲競爭激烈的班里壓力很大，對集體生活的不適應，不擅長社交加上想家，令年少的劉燁“完全傻了”“實在沒招兒”。幸好有老師對其單純品性的賞識，還有父母與姐姐的鼓勵，才令他一點點適應了壓力。

演藝經歷

2001年，大學剛畢業的劉燁被關錦鵬相中，在100多位競爭者中脫穎而出，在電影《藍宇》中與胡軍出演同性愛人，憑借此片劉燁奪得第38屆臺灣電影金馬獎最佳男主角獎，此外該片還獲得了“最佳導演”“最佳改編劇本”“最佳剪輯”及“觀眾票選最佳影片”五個獎項，此外該片在美國新聞周刊評出的“全球年度15部最佳影片”中位列第11位，并獲得第21屆香港電影金像獎最佳男主角提名。

2002年5月，與陳坤、周迅共同主演由戴思杰執導的電影《巴爾扎克與小裁縫》，該片入圍美國金球獎最佳外語片，并成為2002年戛納電影節及香港第25屆法國電影節開幕電影。此外，劉燁與林嘉欣主演的電影《戀之風景》入圍威尼斯國際電影節；與李心潔合作出演根據王安憶小說改編的同名電影《米尼》；11月，與陶虹、董潔合演主演電影《天上的戀人》，該片獲得第15屆東京國際電影節最佳藝術貢獻獎。

2003年，與章子怡、李冰冰共同主演諜戰片《紫蝴蝶》，該片入圍戛納電影節，劉燁憑借此片獲得第四屆華語電影傳媒大獎內地最受歡迎男演員獎。同年主演電影《花兒怒放》，飾演年輕的教師丁天，該片獲中國電影童牛獎。12月，主演電影《青春愛人事件》，該片入圍第17屆東京國際電影節，獲2005年底西班牙馬德里實驗電影節大獎，入圍2006年4月意大利遠東國際電影節。同年，接拍海巖生死戀三部曲之《拿什么拯救你，我的愛人》，在劇中飾演淳樸、善良、沉郁的龍小羽，并獲得第3屆中國電視藝術雙十佳最佳演員獎。

2004年，與孫儷共同主演反映“老三屆”故事的電視劇《血色浪漫》，飾演熱情浪漫、瀟灑不的叛逆男主角鐘躍民。與舒淇聯袂主演愛情電影《美人草》，劉燁在片中飾演陽光土氣，青春逼人，霸氣與痞氣完美結合的傻男孩”劉思蒙“，并憑借該片獲得第24屆中國電影金雞獎最佳男主角獎以及第10屆中國電影表演藝術學會（金鳳凰）優秀男演員獎；同年，與章子怡合作主演的電影《茉莉花開》獲得第7屆上海國際電影節評委會大獎。

2005年，劉燁參演由陳凱歌執導的奇幻史詩電影《無極》，飾演有著特異殺人功能的殺手“鬼狼”，該片入圍美國金球獎最佳外語片獎。2005年，與袁泉合作舞臺劇，孟京輝“愛情三部曲”的壓軸篇《琥珀》，演唱主題曲《琥珀之歌》，在香港創下售票記錄；同年，劉燁憑電影《美人草》獲第8屆長春電影節最佳男主角提名。

2006年，參演由張藝謀執導的商業片《滿城盡帶黃金甲》，并憑借該片獲得香港電影金像獎最佳男配角提名和12屆香港金紫荊獎最佳男配角提名；7月1日，參演的電視劇《向天真的女生投降》播出，飾演王謙(披頭)。

2007年1月，與奧斯卡影后梅麗爾斯特里普主演劇情片《暗物質》，該片入圍美國圣丹斯電影節，并獲得Alfred P．Sloan獎；同時，劉燁開始嘗試更多元化類型的角色，努力擺脫以往文藝青年的熒幕形象，并拓展戲路；同年，與吳彥祖、張震合作出演翻拍自《喋血街頭》的動作電影《天堂口》，并在劇中飾演黑幫老大“大剛”，該片也成為第64屆威尼斯國際電影節閉幕電影。

2008年，在與古天樂，大S合作的警匪片《保持通話》中飾演一頭灰白短發搭配一身黑色大風衣的冷血殺手；同年，主演動作電影《硬漢》，扮演一位腦部受損傷的退役軍人“老三”，為了演好這一角色，劉燁增重40斤，并憑借電影《硬漢》獲得第3屆大學生影像節最受矚目男演員獎。

2009年1月12日，主演的電視劇《一個女人的史詩》播出，飾演歐陽萸；同年，在陸川執導的戰爭片《南京南京》中飾演悲壯犧牲的國民黨軍官陸劍雄，該片獲得第57屆西班牙圣塞巴斯蒂安國際電影節“金貝殼獎”以及最佳攝影獎，這也是中國電影首次獲得該獎項；4月27日，主演的電視劇《我們生活的年代》播出，飾演袁浩東。

2010年，主演都市愛情電影《無人駕駛》，飾演游離在高圓圓和李小冉扮演的兩個女人之間的“志雄”，并與姚晨主演時尚愛情電影《愛出色》，飾演先鋒藝術家亦鴻。搭檔王珞丹出演舞臺劇《琥珀》第二版，在各地共演出60場。

2011年，在獻禮片《建黨偉業》中扮演青年毛澤東；同年主演動作電影《硬漢2：奉陪到底》。

2012年，時隔8年再次與舒淇搭檔出演劉偉強執導的愛情電影《不再讓你孤單》，飾演踏實、接地氣并且包容體貼的男主角方鎮東；11月，與張震，吳彥祖再次合作主演陸川執導的歷史古裝電影《王的盛宴》，飾演復雜多疑的劉邦，并憑借該片獲得亞洲電影大獎最佳男主角提名。

2013年3月，與張涵予、黃渤合作主演動作喜劇片《廚子戲子痞子》，劉燁在片中首次嘗試逗比角色，飾演處處點頭哈腰、唯唯諾諾，說話低聲下氣的漢奸廚子；6月27日，被法國文化部授予“法蘭西文學藝術騎士勛章”；12月，與成龍領銜合作電影《警察故事2013》，該片以IMAX、3D和中國巨幕3D等效果上映，票房破5億，并打破中國內地警匪片的票房紀錄。主演抗日題材的電視劇《火線三兄弟》，飾演幽默廚子田二林。2013年，與趙薇，蘇有朋，王偉忠等擔任東方衛視《中國達人秀》“V5季”評委。

2014年，主演由劉和平創作的電視劇《北平無戰事》，飾演飛行員方孟敖，該劇投資額達1.5億，并獲得“白玉蘭獎”最佳中國電視劇獎。與趙文卓合作主演懸疑電影《全城通緝》，同年與林志玲主演電影《北京，紐約》；5月18日，參演的電視劇《紅色通道》播出，飾演伍權。

2015年，劉燁與胡軍，林永健，鄒市明，夏克立加盟湖南衛視親子戶外真人秀節目《爸爸去哪兒第三季》。1月，主演曹保平執導的懸疑片《追兇者也》；2月，與劉亦菲，黎明共同出演由戴思杰執導的中法合拍愛情電影《夜孔雀》；6月，主演由蕭峰執導的3D史詩電影《大轟炸》，該片為紀念反法西斯勝利70周年拍攝，以1937年起日本對重慶進行為期5年的空襲為歷史背景。2016年，憑電影《追兇者也》獲得第19屆上海國際電影節最佳男演員，影片則于同年9月14日上映。9月15日主演的戰爭電影《我的戰爭》上映

2017年，主演革命史詩電影《建軍大業》，劉燁在片中則再次飾演開國領袖毛澤東；6月，出任澳大利亞電影電視藝術學院獎（AACTA）最佳亞洲影片大評審團九名評審之一。

2018年，參演電影《大轟炸》；3月4日，參演的電視劇《老男孩》播出，飾演吳爭。

2019年1月11日，參加2018微博之夜線下盛典，獲星光公益影響力人物榮譽。2月4日，參加2019中央電視臺春節聯歡晚會，演唱歌曲《時代號子》。2月6日，參演的電視劇《國寶奇旅》播出，在劇中飾演任弘毅。4月，執導并主演電影《我的傭兵生涯》。9月22日，主演的電視劇《在遠方》在浙江衛視播出，在劇中飾演姚遠。12月31日，參演的電影《寵愛》上映。

2020年1月4日，參加的綜藝節目《了不起的長城》在北京衛視播出。同年，參演電影《獵網行動》。5月1日，參加《中國夢·勞動美——致敬勞動者五·一特別節目》，與杜江共同獻唱了歌曲《時代號子》。6月28日，參演的電影《最美逆行》上映；同年，參與合唱單曲《冰雪冬奧》。9月2日，擔任第十五屆中國長春電影節形象大使；9月30日，參加《“中國夢·祖國頌” ——2020國慶特別節目》，表演歌曲與朗誦《脫貧宣言》；10月30日，參演的電視劇《幸福街1》播出，在劇中飾演徐小陽。

2021年1月30日，參加的綜藝節目《直通春晚》第四期定檔在CCTV-3播出。2月11日，參加2021年央視春節聯歡晚會，演唱歌曲《燃燒的雪花》。5月1日，主持節目《中國夢·勞動美——永遠跟黨走 奮進新征程2021五一國際勞動節特別節目》。6月18日，主演的電影《守島人》定檔在中國內地上映，在片中飾演王繼才。6月21日，參加的真人秀節目《撲通撲通的心》播出。7月1日，參加《偉大征程》慶祝中國共產黨成立100周年大型情景史詩文藝演出，表演戲劇與舞蹈《破曉》。同年，主演電影《家園行動》；9月21日，參加“灣區升明月”2021大灣區中秋電影音樂晚會，演唱《晚秋》；10月1日，在“2021央視國慶晚會”演唱歌曲《中華力量》。10月27日，發行合唱單曲《致敬勇士》。11月29日，劉燁憑借《守島人》獲第34屆中國電影金雞獎最佳男主角提名。12月12日，劉燁憑借《守島人》獲第八屆絲綢之路國際電影節最佳男演員獎。12月25日，燁憑借《守島人》獲第十六屆中國長春電影節“金鹿獎”最佳男演員獎。12月28日，參加2021年中國金雞百花電影節開幕式暨第34屆中國電影金雞獎提名者表彰儀式。

2022年1月30日，參加總臺文藝迎春節特別節目《生龍活虎迎春來》；2月1日，參與錄制的北京2022年冬奧會和冬殘奧會口號推廣音樂短片《一起向未來》定檔在全網播出。同日，參加百花迎春中國文學藝術界2022春節大聯歡，擔任節目《致百花》講述人。2月5日，參加北京2022年冬奧會和冬殘奧會頒獎儀式推廣歌曲《致敬勇士》的演唱。6月，劉燁憑借《守島人》獲第33屆華鼎獎最佳男主角提名。7月，憑借電影《守島人》獲第36屆百花獎最佳男主角提名。7月30日，主演的電影《排爆手》定檔在愛奇藝、騰訊視頻、優酷上映，在片中飾演陸陽。9月30日，主演的電影《鋼鐵意志》定檔在中國內地上映，在片中飾演趙鐵池。

2023年1月10日至15日，主演的中文版戲劇《悲慘世界》在北京保利劇院舉行世界首演，在劇中飾演冉·阿讓。3月24日，主演的電影《望道》定檔在中國內地上映，在片中飾演陳望道。5月23日，憑借《守島人》獲第19屆華表獎優秀男演員。