1978年3月23日，劉燁生在長春市一個電影之家，父親是長春電影制片廠的燈光師，母親是長影廠職工 ?。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。 ?

　　1998年，19歲的劉燁參演霍建起導演的《那山那人那狗》 ?，飾演淳樸無邪、充滿鄉土氣息的山村男孩，這部電影獲得第19屆中國電影金雞獎最佳故事片獎、蒙特利爾國際電影節最受觀眾歡迎故事片獎、日本電影最高獎項“每日電影獎”最佳外語片獎、日本電影筆會最佳外國影片第一名以及電影旬報獎 ?。也讓劉燁獲得金雞獎最佳男配角獎提名 ?。

　　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》，并憑借此片提名第8屆長春電影節最佳男主角 ?；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。 ?

　　2004年，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 ?。

　　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 ?。

　　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，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 ?。

　　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 ?。

　　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 ?；同年，與”謀女郎“倪妮合作主演“療愛”電影《殺戒》，講訴一對關系復雜的戀人之間由愛生恨的故事 ?；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 ?。

　　2014年，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》。 ?2015年，經過一年的休息調整，劉燁開始全面回歸大熒幕。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》 ?；與劉德華主演丁晟導演的根據真實明星綁架案改編的警匪電影《解救吾先生》 ?，電影于國慶檔上映 ?；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 ?。

　　2003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 ?。

　　2006年，在愛情劇《向天真的女生投降》中飾演黑幫青年“披頭” ?；同年在電視劇《一針見血》中飾演個性警察蘇巖 ?。

　　2008年，在生活情感劇《我們生活的年代》中飾演為名利放棄愛情的袁浩東，并憑借該劇獲得“《新周刊》2008電視榜最深入人心的電視形象獎” ?。

　　2009年1月10日，與趙薇主演的歷史愛情劇《一個女人的史詩》在江蘇衛視播出，該劇根據嚴歌苓同名小說改編，劉燁在劇中飾演傲嬌高冷的文藝書生歐陽萸 ?。

　　2013年，主演抗日題材的電視劇《火線三兄弟》，飾演幽默廚子田二林 ?。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 ?。

　　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 ?。2010年搭檔王珞丹出演第二版，劉燁在各地共演出60場 ?。

　　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年任東方衛視戶外旅游真人秀節目花樣爺爺挑夫 ?。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》 ?。