2003年11月29日，刘亚仁参演的电视剧《玉林的成长日记》在KBS电视台首播，剧中扮演刘儿仁 [9]  ；2004年4月21日参演KBS水木剧《四月之吻》，饰演少年时期的江在硕。

2007年3月1日，刘亚仁出演喜剧电影《不名誉的一家》中龙泰一角，完成电影首秀，并凭借该片提名第28届韩国电影青龙奖最佳新人男演员奖；5月17日，主演的独立剧情电影《我们没有明天》上映，刘亚仁片中饰演的21岁男孩，获釜山影评家奖新人男演员奖。

2008年6月17日首播的KBS月火奇幻剧《最强七友》中刘亚仁饰演杀手黑山。11月13日，参演的剧情电影《西洋古董洋果子店》上映，凭借片中表现刘亚仁获得第11届韩国Director's CUT奖新人演技奖。

2009年6月15日，参演的剧情电视剧《不能结婚的男人》首播，剧中扮演朴炫奎。10月29日，参演小制作情感电影《天空与海洋》，该片获得了第8届地拉那国际电影节竞争单元媒体奖。

2010年8月30日，刘亚仁出演的古装电视剧《成均馆绯闻》在KBS电视台首播，剧中因与演员宋仲基的合作，获得2010年KBS演技大赏最佳荧幕情侣 。

2011年10月20日，刘亚仁出演的剧情电影《格斗少年，菀得》上映，片中扮演家境贫寒并处在叛逆期的问题少年菀得。该片最终电影票房达531万观影人次，凭此片刘亚仁也获得了第3届韩国电影记者协会电影赏发现奖，并提名第21届韩国釜日电影奖最佳男演员奖。

2012年3月19日，主演的SBS情感电视剧《时尚王》首播，剧中饰演姜英杰，该剧于2014年4月4日在中国CCTV8播出，2014年5月15日在中国CCTV1播出。2013年4月8日，刘亚仁出演的SBS情感电视剧《张玉贞，为爱而生》首播。10月2日，主演剧情电影《强哲》。

2014年1月6日，刘亚仁签约韩国UAA公司；2月20日，刘亚仁为动画电影《卫星女孩和乳牛》配音，3月13日，客串演出剧情电影《优雅的谎言》；3月17日，刘亚仁出演JTBC电视台爱情电视剧《密会》，饰演钢琴天才李善宰；8月18日，友情出演KBS剧情电视剧《恋爱的发现》，客串剧中来夏天工坊学习的客人。

2015年8月5日，刘亚仁出演由柳承莞执导的动作电影《老手》，片中饰演的财阀三世赵太武，并且凭借该片提名第52届韩国电影大钟奖最佳男演员奖 ；9月16日参演的古装电影《思悼》上映，片中饰演思悼世子，并凭借该片获得第36届韩国电影青龙奖最佳男主角奖，并获得第10届亚洲电影大奖飞跃新星奖。10月5日，主演的SBS台庆古装电视剧《六龙飞天》首播，剧中饰演朝鲜王朝第三代王李芳远，刘亚仁凭借该剧获得2015年度韩国SBS演技大赏长篇剧集最优秀男演员奖、十大明星奖、阻击女心奖并与申世景一起获得最佳荧幕情侣奖。

2016年2月18日，参演的爱情电影《请点赞》上映，片中饰演卢镇宇一角。2月24日，客串演出KBS爱情电视剧《太阳的后裔》。6月3日，凭借作品《六龙飞天》获得第52届韩国百想艺术大赏电视部门最佳男主角。12月2日，刘亚仁在2016年度MAMA颁奖典礼“Connection”主题环节中公开由他亲自企划、导演的艺术影片。

2017年4月7日，刘亚仁主演的电视剧《芝加哥打字机》播出，剧中扮演超级畅销书作家，被称为“文坛偶像”的韩世洙。

2018年5月16日，刘亚仁主演、李沧东执导的电影《燃烧》在戛纳电影节首映。他在该片中的表演被《纽约时报》选为2018年十佳表演之一，成为该名单中唯一的亚洲演员。同年，刘亚仁担任SBS电视台纪录片《叙利亚的目击者》旁白，该片展示了战争带给平民们的巨大伤害。

2019年6月，出演电影《无声无息》（暂译）重返银幕。