2015年，刘剑羽参加由爱奇艺出品的偶像养成类真人秀节目《流行之王》；在第八期时被淘汰，无缘进入MR.BIO组合。同时，刘剑羽签约果然娱乐文化有限公司，并成为根据同名小说改编、由爱奇艺出品的首部动画片《灵域》的代言人。12月2日，刘剑羽出席第十二届年度时尚先生盛典。

2016年1月，参演根据饶雪漫同名小说改编的青春网络剧《秘果》，在剧中刘剑羽饰演青年作家冯三水；该剧是刘剑羽个人首部影视作品。5月20日，参演由海润影业股份有限公司出品、根据网络小说《诡案组》为原型改编的刑侦类网络电影《诡案组之魔影杀手》。8月19日，参演的魔性玄幻网络电影《仙班校园2》在爱奇艺上线，在片中饰演八仙之一张果老。

2017年1月16日，参演的青春校园网络剧《校花前传之很纯很暧昧》在优酷上线，在剧中刘剑羽化身为一位出手阔绰的富二代张滨。8月，参演青春校园偶像剧《我和两个TA》，在剧中刘剑羽饰演马等等，不仅多愁善感优柔寡断，还喜欢大惊小怪。11月，出演青春歌舞喜剧《ART ON!艺术生》。

2019年5月27日，参演的奇幻网络剧《爵迹·临界天下》在爱奇艺上线。7月10日，主演的古装武侠喜剧《少年江湖物语》在爱奇艺上线，刘剑羽在剧中饰演小师弟顾亦封。

2020年6月12日，参演的由刘坦、杨述执导的民国传奇网剧《民初奇人传》在爱奇艺上线，并在剧中饰演性格腼腆害羞，但能力极强的柯书。