2004年，拍摄“中华航空”电视广告。2005年，参演电影《阿嫂》，凭借《阿嫂传奇》提名2006年香港电影金像奖最佳新演员。

2006年，与郭品超、柏原崇、濑户朝香等合作恐怖鬼片《黑夜之鬼邻》，该片是香港、日本、泰国三地三个故事组成的一部恐怖片 。

2007年，刘心悠出演《大电影2.0之两个傻瓜的荒唐事》，与姚晨、谢娜、黄渤等合作。

2009年，刘心悠与蓝正龙、柯有纶等合作爱情电影《爱到底·华山24》，与蓝正龙在剧中饰演一对情侣；同年，参演《鱼狗》，出演陈小幸一角，与张雁名在剧中饰演一对亡命鸳鸯。

2011年，刘心悠与刘诗诗、吴奇隆等演员合作穿越剧《步步惊心》，饰演马尔泰·若兰一角。

2012年，刘心悠与刘庭羽、杨恭如、惠英红合作中国大陆电视剧《唐宫燕》出演孟芙；11月，主演电影《天生爱情狂》。

2013年，刘心悠与谭耀文、穆婷婷联袂出演神话剧《土地公土地婆》的第三单元《美人照镜》，饰演朱慰慈。

2013年9月10日，主演都市青春喜剧电影《4B青年之4楼B座》在中国大陆上映。

2014年，出演《步步惊情》，饰演马伊诺/整容后的蓝兰。7月，主演张家辉首次执导的灵异电影《盂兰神功》。

2016年，主演爆笑爱情喜剧《我的老婆是明星》定于4月8日在内地率先浪漫献映。同年，参演由陈果执导，张晋主演的电影《九龙不败》，饰演女中医。

2017年，主演古装剧《宫心计》续集《宫心计2：深宫计》，饰演元玥。同年11月，主演电视剧《守护神之保险调查》，饰演杜心茹。

2018年，参与由尔冬升监制，冯志强执导，古天乐主演的电影《犯罪现场》，饰演雀鸟专家。同年，与吴卓羲合作主演电影《再见﹒女人街》。