畢業(yè)于中央戲劇學(xué)院表演系（1996-2000）。大學(xué)二年級(jí)時(shí)時(shí)因拍攝《那山那人那狗》步入影壇，主演過大量?jī)?yōu)秀影視作品，曾先后獲得臺(tái)灣金馬獎(jiǎng)，中國(guó)電影金雞獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，是中國(guó)青年演員的代表人物。

1998年，在霍建起導(dǎo)演的《那山、那人、那狗》中，劉燁飾演那個(gè)淳樸無邪、充滿鄉(xiāng)土氣息的山村男孩，劉燁那種當(dāng)質(zhì)樸遇到紛繁現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)時(shí)的不定眼神，讓人記住了他，這部電影獲的蒙特利爾國(guó)際電影界最受觀眾歡迎故事片獎(jiǎng)，獲的第19屆中國(guó)電影金雞最佳故事片獎(jiǎng)和最佳男配角獎(jiǎng)提名。在關(guān)錦鵬導(dǎo)演的《藍(lán)宇》中情感復(fù)雜的藍(lán)宇，劉燁演繹得清新樸素，自然貼切，情感細(xì)膩復(fù)雜，以捕捉細(xì)節(jié)見長(zhǎng)，習(xí)慣用眼睛演戲。從1998年獲“金雞獎(jiǎng)”最佳男配角的提名到2001年登上第38屆臺(tái)灣金馬獎(jiǎng)最佳男主角的寶座，劉燁走得踏踏實(shí)實(shí)。
《藍(lán)宇》對(duì)于劉燁，在心態(tài)上是個(gè)考驗(yàn)，他要純樸而不混沌，要成熟而不市儈，要柔弱而不失堅(jiān)強(qiáng)，要深愛而不糾纏，要放棄而不決絕，影片中看得出劉燁的努力，這就足夠了。之后與周迅、陳坤合演的《巴爾扎克和小裁縫》，與陶虹、董潔合演的《天上的戀人》等都獲得專家和觀眾的好評(píng)?？梢灶A(yù)見，憑借自己清新樸素、成熟到位的演繹風(fēng)格，劉燁必將躋身一流的影視演員之列。2005年，劉燁參加了陳凱歌導(dǎo)演的《無極》，雖然觀眾對(duì)此片的褒貶不一，但是劉燁卻憑借自己出色的表演獲得了觀眾的一致認(rèn)可。2005年劉燁參演的電影《茉莉花開》也獲得了較高評(píng)價(jià)。2006年，劉燁在張藝謀新作《滿城盡帶黃金甲》中飾演大太子元祥。除了在大銀幕上表現(xiàn)出色，劉燁也主演了不少電視劇，塑造了許多精彩的人物形象。
2007年，劉燁走進(jìn)了《暗物質(zhì)》劇組，與華人導(dǎo)演陳士爭(zhēng)和奧斯卡影后梅麗爾·斯特里普聯(lián)手，出演了一個(gè)根據(jù)真實(shí)故事改編的悲劇電影，本片在圣丹斯電影節(jié)上獲得不少好評(píng)，劉燁面對(duì)老戲骨紋絲不亂的演技也獲得廣泛關(guān)注。同年他還主演了《硬漢》、《天堂口》等片。08年在香港導(dǎo)演陳木勝的《保持通話》中出演反派，同年還出演了內(nèi)地導(dǎo)演陸川的《南京！南京！》和丁晟的《硬漢》。電視作品則有《我們生活的年代》和與趙薇合作的《一個(gè)女人的史詩》。
2009年劉燁完成了人生中的大事，與相戀三年的法國(guó)女友完婚，在這一年劉燁專心享受婚姻生活，只拍攝了一部電影和兩部電視，這也是他出道十年作品產(chǎn)量最少的一年。而在沉寂了近一年后，2010年劉燁又全面開工，混血兒子的誕生并沒有放慢他的腳步，因?yàn)樗氖聵I(yè)又翻開新的一頁，跟隨合作八年的金牌經(jīng)紀(jì)人常繼紅過檔星美，電影行情繼續(xù)看漲，陸川的《王的盛宴》、劉偉強(qiáng)的《美麗人生》、老搭檔陳弈利的《愛出色》、而在群星云集的《建黨偉業(yè)》中出演青年毛澤東一角，更加證明了劉燁在大導(dǎo)演心目中的位置。

2011年，劉燁主演的《硬漢2》上映，繼續(xù)贏得不錯(cuò)的口碑。

2013年，與成龍合作電影《警察故事2013》，打破中國(guó)內(nèi)地警匪片的票房紀(jì)錄  ；6月27日，被法國(guó)文化部授予“法蘭西文學(xué)藝術(shù)騎士勛章”  。

2014年主演電視劇《北平無戰(zhàn)事》飾方孟敖 ；2月5日，獲以色列旅游部長(zhǎng)烏齊·蘭多授予以色列旅游親善大使  。2016年，在懸疑片《追兇者也》中飾演宋老二 ，他則憑借該片獲得第19屆上海國(guó)際電影節(jié)最佳男主角（即金爵獎(jiǎng)影帝）