2004年,刘心悠拍摄“中华航空”电视广告而出道。
2005年,刘心悠搭档林嘉欣、曾志伟、任达华参演动作电影《阿嫂传奇》,并凭借该片提名2006年香港电影金像奖最佳新演员奖。
2006年,刘心悠和郭品超、柏原崇、濑户朝香等合作恐怖电影《黑夜之鬼邻》,该片是香港、日本、泰国三地三个故事组成的一部恐怖片。
2007年,刘心悠搭档郭涛、黄渤等主演喜剧片《大电影2.0之两个傻瓜的荒唐事》,在片中扮演小鱼;同一年与任达华、张家辉、邵美琪等合作主演的悬疑电影《出埃及记》上映,她在片中扮演女主角张芳,该电影入围了第55届圣塞巴斯蒂安国际电影节最佳影片奖等多个奖项;此外还陆续主演了电影《军鸡》、电视剧《幸福的味道》等作品。
2008年,刘心悠与蓝正龙、邵美琪等人联袂主演的现代爱情剧《幸福的抉择》上星播出,她在剧中扮演了婚纱设计师夏亦心。
2010年,刘心悠主演的电影《鱼狗》上映,她在片中扮演女主角陈小幸,和张雁名在电影中扮演一对亡命鸳鸯。
2011年,刘心悠与刘诗诗、吴奇隆、郑嘉颖、林更新等人联袂主演的古代穿越剧《步步惊心》在湖南卫视首腿页元乎播,在剧中扮演了娴静温柔、大方得体的姐姐马尔泰·若兰,刘心悠也凭借在剧中的表现受到电视观众的认可和喜爱;随后其主演的由方文山、九把刀等执导的四段式爱情电影《爱到底》上映,她在第二部分的《华山·24》中担任女主角,片中她扮演了一位著名艺术区照屑厦糊“华山”解说员心悠,和蓝正龙演绎了一段难舍难分的甜蜜爱情故事;9月14日,其与胡歌、吴奇隆、刘诗诗等人联袂主演的网游主题电影《梦回鹿鼎记》播出。
2012年,刘心悠与刘庭羽、杨恭如、惠英红合作中国大陆电视剧《唐宫燕》参与演出孟芙;11月份,主演电影《天生爱情狂》。
2013年,刘心悠与谭耀文、穆婷婷联袂参与演出神话剧《土地公土地婆》的第三单元《美人照镜》,扮演朱慰慈。2013年9月10日,主演都市青春喜剧电影《4B青年之4楼B座》在中国大陆上映。
2014年,刘心悠参与演出电视剧《步步惊情》,扮演马伊诺/整容后的蓝兰。7月份,主演张家辉第一次执导的灵异电影《盂兰神功》。
2016年,刘心悠主演爆笑爱情喜剧《我的老婆是明星》定于4月8日在内地率先浪漫献映。同一年,参演由陈果执导,张晋主只料估演的电影辩船汽《九龙不败》,扮演女中医。
2017年,刘心悠主演古装剧《宫心计》续集《宫心计2:深宫计》,扮演元玥。同一年11月份,主演电视剧《守护神之保险调查》,扮演杜心茹。
2018年,刘心悠参与由尔冬升监制、冯志强执导、古天乐主演的电影《犯罪现场》,扮演雀鸟专家。
2020年,由黄子华导演与编剧,刘心悠和黄子华共同主演的《乜代宗师》于香港上映上映,扮演陈真。
2021年5月4日,刘心悠参演的电影《总是有爱在隔离》播出;5月13日,主演的都市女性成长剧《生活家》在央视八套播出,扮演会计师事务所合伙人程帆扬;8月5日,和吴卓羲合作主演电影《女人街,再见了》在中国香港上映。
刘心悠人物评价
刘心悠把《步步惊心》若兰这位痴情美女演绎的淋漓尽致,一颦一笑都扣人心弦,被称赞为“最美古装扮相”(东方网、重庆晨报评)。
不管是蕙质兰心,温柔善良的若兰,还是任性刁蛮的建宁公主,刘心悠总是努力向观众展现一个个近乎完美的角色,也总是一次次地向观众证明自己的实力。而现实中的刘心悠散发着一种自然随性的美(国际在线网评)。
刘心悠拥有着白羊座女孩最典型的特点:活泼开朗、热情率直(每日新报评)。