2002年主演個人首部電視劇《金粉世家》，從而踏入演藝圈。2003年因主演武俠劇《天龍八部》嶄露頭角。2004年憑借仙俠劇《仙劍奇俠傳》趙靈兒一角獲得了高人氣與關注度。2005年因在金庸劇《神雕俠侶》中飾演小龍女受到廣泛關注。2006年發行首張國語專輯《劉亦菲》；同年，成為金鷹節歷史上首位金鷹女神。2007年當選“中國80后十大杰出代表人物 。2008年起轉戰影壇，并憑借動作片《功夫之王》成為首位榮登IMDB電影新人排行榜榜首的亞洲女星。2009年在“80后新生代娛樂大明星”評選活動中獲封“四小花旦”之一。2011年主演古裝片《鴻門宴》。
2014年，憑借出演劇情片《銅雀臺》中靈雎一角獲得第5屆澳門國際電影節最佳女主角。2016年，憑借出演愛情片《第三種愛情》中鄒雨一角獲得第16屆華語電影傳媒大獎最受矚目女演員 ；同年，其主演的文藝片《夜孔雀》入圍了第40屆蒙特利爾國際電影節主競賽單元。2017年11月30日，確定出演迪士尼真人版劇情電影《花木蘭》；12月29日，其主演的奇幻片《二代妖精之今生有幸》上映。
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