刘亦菲原名为安风，小名为茜茜（xīxī）。因父母离异，后随她的母亲刘晓莉姓刘，她的姥姥为她取名刘茜美子。1995年，年仅8岁的刘亦菲参加了中南商都第二届童花杯童装模特大赛，在参赛的1800多名少年儿童中以自己良好的表演水平和优越的形体条件夺得冠军。1997年，刘亦菲父母离异，刘亦菲从武汉市江岸区鄱阳街小学退学，随母亲远赴美国读书。因念书关系及待在美国时间较长，故刘亦菲母亲将其国籍改为美国。1998年，刘亦菲在美国开始上中学。2002年，刘亦菲回到北京，并通过英语及专业考试被北京电影学院破格录取，成为2002级表演系里年纪最小的学生 。
【电视剧时期】
2002年，制片人游建鸣无意中看见了刘亦菲担任形象代言的广告，而后邀请刘亦菲出演电视剧《金粉世家》中敢爱敢恨、刁蛮任性的富家小姐白秀珠一角，刘亦菲正式进入演艺圈；同年，刘亦菲被制片人张纪中选中，并主演央视版《天龙八部》，这是刘亦菲首部古装作品，她因在剧中饰演了清艳唯美的绝世美人王语嫣一角而被称为神仙姐姐，并因此剧崭露头角。
2003年3月20日，由其主演的民国爱情剧《金粉世家》在央视8套黄金档首播，该剧播出后平均收视率达7.68%，并连续两年获得央视收视冠军；12月11日，主演的古装武侠剧《天龙八部》首播，之后登录台湾中视播出，收视率达5.69%，取得了台湾同时段收视第一的成绩，创造了国产电视剧在台湾播出的最高收视纪录。
2004年7月16日，刘亦菲主演的首部电影作品《五月之恋》上映，并在片中饰演了戏剧实习演员赵瑄；11月30日，青春爱情片《恋爱大赢家》上映，刘亦菲在片中饰演了活泼靓丽、精灵古怪的纯情少女金巧莉；同年，客串出演青春励志剧《豆蔻年华》中小赵老师一角。
2005年1月24日，与胡歌领衔主演的古装仙侠剧《仙剑奇侠传》首播，该剧是首部根据同名游戏改编的电视剧，而她则在剧中饰演了天真无邪、痴情执着的南诏国公主赵灵儿，并因此剧获得了高人气与关注度。
2006年3月17日，其搭档黄晓明主演的古装武侠爱情剧《神雕侠侣》首播，该剧播出后收获了不俗的收视成绩和口碑，并在央视索福瑞公布的2006年1至9月关于电视剧的调查数据中以45次的播出率排名第一位。之后登陆香港播出，并创下TVB剧集收视排行榜季军；刘亦菲则在剧中饰演了清丽脱俗、容颜倾世且不食人间烟火的小龙女一角；同年5月，刘亦菲进军歌坛，与索尼音乐娱乐公司正式签约；7月1日，发行首张EP《真夜中のドア》，该单曲亦成为日本动画片《飞天小女警Z》的片尾曲；9月1日，其首张个人同名国语专辑《刘亦菲》在内地、香港、日本发行，她还凭借歌曲《心悸》获得了中国原创音乐流行榜金曲奖；9月6日，发行首张日语专辑《All My Words》；同年，她还被评选为第6届中国金鹰电视艺术节首位金鹰女神。2007年，刘亦菲被评为“中国80后十大杰出代表人物”。
【转战大银幕】
2008年起，凭借电视剧积累的高人气，刘亦菲开始在影视领域全面发展，并将其演艺事业的重心转向大银幕。同年，与成龙、李连杰合作出演了个人首部好莱坞电影《功夫之王》，该片于4月24日在中国内地上映，国内票房突破1.85亿；而她则在片中饰演了武功高强、冷艳夺目的金燕子，并凭该角色在好莱坞IMDB电影新人排行榜中全球人气指数位居第一；5月，刘亦菲签约了威廉·莫里斯公司；12月31日，以1,134,881,556的搜索量登顶百度娱乐沸点“最沸点女明星”。
2009年，在由“网络票选+媒体评审+线下抽查”的“80后新生代娱乐大明星”评选活动中正式获封“四小花旦”之一 。2010年8月12日，与王力宏领衔主演的校园爱情电影《恋爱通告》上映，刘亦菲几乎是素颜出镜，她在片中饰演了气质超凡脱俗的民乐系女学生宋晓青。
2011年4月19日，与古天乐合作主演的奇幻爱情片《新倩女幽魂》上映，刘亦菲在片中了饰演妩媚动人的狐妖聂小倩，该片内地票房突破1.5亿；11月29日，由李仁港执导的古装战争片《鸿门宴》上映，刘亦菲在片中饰演了能歌善舞、美艳温柔的绝代佳人虞姬，并演唱电影插曲《楚歌》；截止2011年底，刘亦菲连续七年跻身福布斯中国名人榜前列。
2012年7月12日，由陈嘉上执导的古装武侠动作片《四大名捕》上映，刘亦菲在片中饰演了心思缜密、内敛而坚韧的女版无情一角，该片内地票房突破两亿；9月26日，其主演的古装历史片《铜雀台》上映，并献声电影主题曲《等雪来》。刘亦菲则首次在片中挑战一人分饰两角，饰演了绝美神秘、为刺曹而生的杀手灵雎和绝色美女貂蝉，凭借在该片中的表现她获得了第5届澳门国际电影节最佳女主角奖 。
2013年12月6日，刘亦菲主演的武侠片《四大名捕2》上映，并演唱电影主题曲《放下》，该片上映五天票房累计1.1亿；11月26日，刘亦菲的蜡像入驻武汉杜莎夫人蜡像馆，并在武汉杜莎夫人蜡像馆的“武汉之光”展区展出。2014年8月22日，与邓超领衔主演的武侠片《四大名捕大结局》上映，该片则取得1.9亿元的票房成绩；11月7日，都市爱情片《露水红颜》上映，刘亦菲回归现代题材，她在片中饰演了本性善良且美丽动人的贵族小姐邢露。
2015年4月3日，其搭档尼古拉斯·凯奇主演的古装战争片《白幽灵传奇之绝命逃亡》上映，并在片中饰演了逃亡公主赵莲；9月25日，都市爱情片《第三种爱情》上映，刘亦菲在片中饰演了美丽知性的高冷女律师邹雨，并凭该角色获得第16届华语电影传媒大奖最受瞩目女演员奖；
同年11月，主演由比利·奥古斯特执导的战争片《烽火芳菲》。
2016年5月11日，受邀出席第69届戛纳国际电影节红毯；5月20日，其主演的文艺片《夜孔雀》上映，该片由戴思杰执导并入围了第40届蒙特利尔国际电影节主竞赛单元，而刘亦菲则凭借该片中的表现入围到蒙特利尔最佳女演员的争夺战中。此外，刘亦菲为此片专门学习了法语，她在片中饰演了敢爱敢恨、求知欲强的法籍华裔留学生艾尔莎；7月8日，在上映的青春爱情片《致青春·原来你还在这里》中饰演了倔强执拗且自尊心强的女高中生苏韵锦，并演唱电影主题曲《还在这里》。该片则取得3.36亿元的票房成绩；同年12月，她还被评选为“中国80后十大影响力人物”。
2017年4月27日，在GMIC X 2017非凡盛典上获得“GMIC互联网时代电影人物”奖；8月3日，古装玄幻电影《三生三世十里桃花》上映，刘亦菲在片中首次挑战一人分饰三角，她饰演了容貌倾国倾城的青丘帝姬白浅、执着倔强的司音神君和天真恬淡的凡人素素。该片票房达5.33亿，位列2017年8月内地票房榜亚军；11月10日，主演的战争片《烽火芳菲》上映，该片还入围了第20届上海国际电影节金爵奖主竞赛单元，并成为电影节揭幕影片。而刘亦菲在片中以不施粉黛的村姑形象出现，塑造了坚毅顽强、勇敢善良的寡妇英子一角；11月30日，确定在真人版剧情电影《花木兰》中饰演传奇巾帼英雄花木兰；12月29日，由肖洋执导，陈国富监制的奇幻喜剧片《二代妖精》正式定档，刘亦菲在片中饰演了狐妖白纤楚，这是她首次尝试喜剧角色。