1996年，刚毕业的刘威葳参演了军旅题材电视剧《红十字方队》，饰演了善良坚韧的女兵“司琪”，因而受到关注。毕业后她却不想演戏，在国外呆了一年，回国后担任了央视节目《祖国各地》的外景主持人。

2000年，沉寂的她开始重新接戏，出演了高群书执导的犯罪悬疑电视剧《命案十三宗》。

2003年，与孙红雷等人合作出演了高群书执导的犯罪电视剧《征服》，饰演李梅，在剧中是一个对孙红雷爱得死去活来，为了他不惜抛弃一切亡命天涯的女孩，因此被观众熟知，之后片约接踵而来。

2004年，在反黑题材电视剧《角力》（原名《权利场》）中饰演“海归’的医学博士，拥有美丽的外表、渊博的学识、良好的教养，但依旧是个悲情角色；之后与柯蓝、何晴共同出演情感电视剧《女人背后的女人》。

2005年，出演了情感生活剧《决不饶恕》，饰演楚洁；随后出演了反特悬疑剧《古城谍影》，饰演经历复杂的“女特务”骆春忆；还出演了都市悬疑剧《撕开你的伤口》，饰演活泼大方而又神秘莫测的心理医生。

2006年，被导演王小帅选为电影《左右》的女主角，饰演拯救孩子生命的母亲枚竹，是一个内心十分矛盾的角色，该片是她演艺生涯的第一部真正意义的大银幕作品。

2007年，在改编自电影的反特电视剧《保密局的枪声》中再次饰演一名女特务；之后与方中信、张嘉倪等人出演家庭情感剧《又见一帘幽梦》，饰演知性而宽容的“沈随心”，为爱而放弃理想，漂泊守候，温暖爱人。

2008年，她凭借电影《左右》入围第58届柏林电影节主竞赛单元，首次走上柏林红毯；还在犯罪剧《正义永恒》中饰演年轻漂亮的电脑工程师文丽。

2009年，加盟抗战剧《我的团长我的团》，饰演女主角上官戒慈，是一个外表端庄柔弱内心刚强的缅甸华侨，在剧中与迷龙、龙文章产生过感情；随后再次与张国强搭档出演年代剧《大掌柜》，扮演一位知书达礼，大胆努力追寻爱情的满清格格陆璎；还在谍战电影《风声》中饰演了女特工。

2010年，先出演了悬疑谍战剧《风声传奇》，她在该剧第一篇《风声篇》中饰演女特工李宁玉，沉着机智、攻于心机；接着出演了情感剧《妈妈我爱你》，扮演女强人母亲庞婉丽；同年还出演了警匪电影《预审》，饰演精明干练的白领。

2011年2月，出演爱情电影《我们约会吧》，在片中饰演《我们约会吧》节目的制片人，是个女强人 ；5月，出演了由《北风那个吹》原班人马制作的年代情感剧《雪花那个飘》，塑造了女诗人徐文丽这一形象，对文学有着不懈的追求，偶尔有些虚荣、娇柔做作；6月，在红色题材电视剧《新四军女兵》中饰演刚烈正直的文艺女教官杜铁英；7月，主演了谍战传奇剧《香草美人》，扮演爱国女作家凌烟，在乱世中机缘巧合的走上了特工的道路；9月，与许亚军搭档在电视剧《老爸的筒子楼》中饰演了一对“闪婚”夫妻，经历生活磨练，感情日久弥坚。

2012年3月，主演年代商战剧《向东是大海》，扮演传奇女人董芝霞，从富家千金、革命党人成为茶场主人，银行经理；8月，出演家庭情感剧《大家庭》，饰演命途多舛的陈涵秋；12月30日，出演贺岁电影《双人床条约》，饰演母亲丁雪莉，为了不伤害孩子而选择与前夫离婚后仍“潜伏”生活在一起。

2013年8月，与濮存昕、张国强共同出演改编自同名小说的电视剧《推拿》，饰演盲人按摩师孔佳玉，凭借该角色获得第二届中国电视剧导演工作委员会年度表彰盛典优秀女主角；9月，在年代情感剧《遥远的婚约》中饰演文艺知青乔慧敏。

2014年10月，参与拍摄的谍战电视剧《刀尖上的搏杀》杀青；12月，主演家庭情感剧《坐88路车回家》，饰演小学副校长高山，在因缘巧合下与黄元帅结成欢喜冤家，高冷寂的外表下隐藏着真善美。

2015年5月5日，她主演的家庭情感剧《坐88路车回家》在山东卫视、辽宁卫视上星播出；还主演了年代情感剧《一马换三羊》，变身女屠夫沈小红，隐忍善良、刀子嘴豆腐心的女人；7月4日，主演的抗战剧《东北抗日联军》在央视一套播出，与王洛勇、成泰燊等人合作，在剧中演绎“抗联之母”赵一曼一角，为国家奉献一生的抗日女英雄。

2017年1月29日，刘威葳参与演出的古装电视剧《大唐荣耀》播出。她在剧中饰演唐肃宗李亨之妻——母仪天下善于计谋的张皇后一角。同年10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演朱惠儿。