2004年，劉心悠拍攝“中華航空”電視廣告而出道。

2005年，劉心悠搭檔林嘉欣、曾志偉、任達華參演動作電影《阿嫂傳奇》，并憑借該片提名2006年香港電影金像獎最佳新演員獎。

2006年，劉心悠和郭品超、柏原崇、瀨戶朝香等合作恐怖電影《黑夜之鬼鄰》，該片是香港、日本、泰國三地三個故事組成的一部恐怖片。

2007年，劉心悠搭檔郭濤、黃渤等主演喜劇片《大電影2.0之兩個傻瓜的荒唐事》，在片中扮演小魚；同一年與任達華、張家輝、邵美琪等合作主演的懸疑電影《出埃及記》上映，她在片中扮演女主角張芳，該電影入圍了第55屆圣塞巴斯蒂安國際電影節(jié)最佳影片獎等多個獎項；此外還陸續(xù)主演了電影《軍雞》、電視劇《幸福的味道》等作品。

2008年，劉心悠與藍正龍、邵美琪等人聯(lián)袂主演的現(xiàn)代愛情劇《幸福的抉擇》上星播出，她在劇中扮演了婚紗設(shè)計師夏亦心。

2010年，劉心悠主演的電影《魚狗》上映，她在片中扮演女主角陳小幸，和張雁名在電影中扮演一對亡命鴛鴦。

2011年，劉心悠與劉詩詩、吳奇隆、鄭嘉穎、林更新等人聯(lián)袂主演的古代穿越劇《步步驚心》在湖南衛(wèi)視首腿頁元乎播，在劇中扮演了嫻靜溫柔、大方得體的姐姐馬爾泰·若蘭，劉心悠也憑借在劇中的表現(xiàn)受到電視觀眾的認可和喜愛；隨后其主演的由方文山、九把刀等執(zhí)導(dǎo)的四段式愛情電影《愛到底》上映，她在第二部分的《華山·24》中擔(dān)任女主角，片中她扮演了一位著名藝術(shù)區(qū)照屑廈糊“華山”解說員心悠，和藍正龍演繹了一段難舍難分的甜蜜愛情故事；9月14日，其與胡歌、吳奇隆、劉詩詩等人聯(lián)袂主演的網(wǎng)游主題電影《夢回鹿鼎記》播出。

2012年，劉心悠與劉庭羽、楊恭如、惠英紅合作中國大陸電視劇《唐宮燕》參與演出孟芙；11月份，主演電影《天生愛情狂》。

2013年，劉心悠與譚耀文、穆婷婷聯(lián)袂參與演出神話劇《土地公土地婆》的第三單元《美人照鏡》，扮演朱慰慈。2013年9月10日，主演都市青春喜劇電影《4B青年之4樓B座》在中國大陸上映。

2014年，劉心悠參與演出電視劇《步步驚情》，扮演馬伊諾/整容后的藍蘭。7月份，主演張家輝第一次執(zhí)導(dǎo)的靈異電影《盂蘭神功》。

2016年，劉心悠主演爆笑愛情喜劇《我的老婆是明星》定于4月8日在內(nèi)地率先浪漫獻映。同一年，參演由陳果執(zhí)導(dǎo)，張晉主只料估演的電影辯船汽《九龍不敗》，扮演女中醫(yī)。

2017年，劉心悠主演古裝劇《宮心計》續(xù)集《宮心計2：深宮計》，扮演元玥。同一年11月份，主演電視劇《守護神之保險調(diào)查》，扮演杜心茹。

2018年，劉心悠參與由爾冬升監(jiān)制、馮志強執(zhí)導(dǎo)、古天樂主演的電影《犯罪現(xiàn)場》，扮演雀鳥專家。

2020年，由黃子華導(dǎo)演與編劇，劉心悠和黃子華共同主演的《乜代宗師》于香港上映上映，扮演陳真。

2021年5月4日，劉心悠參演的電影《總是有愛在隔離》播出；5月13日，主演的都市女性成長劇《生活家》在央視八套播出，扮演會計師事務(wù)所合伙人程帆揚；8月5日，和吳卓羲合作主演電影《女人街，再見了》在中國香港上映。

劉心悠人物評價

劉心悠把《步步驚心》若蘭這位癡情美女演繹的淋漓盡致，一顰一笑都扣人心弦，被稱贊為“最美古裝扮相”（東方網(wǎng)、重慶晨報評）。

不管是蕙質(zhì)蘭心，溫柔善良的若蘭，還是任性刁蠻的建寧公主，劉心悠總是努力向觀眾展現(xiàn)一個個近乎完美的角色，也總是一次次地向觀眾證明自己的實力。而現(xiàn)實中的劉心悠散發(fā)著一種自然隨性的美（國際在線網(wǎng)評）。

劉心悠擁有著白羊座女孩最典型的特點：活潑開朗、熱情率直（每日新報評）。