2002年制片人游建鸣在无意中看见了刘亦菲任形象代言的广告，让刘亦菲出演《金粉世家》中白秀珠一角而成名，刘亦菲正式进入娱乐圈。

2003年刘亦菲被制片人张纪中选中，出演2003年央视版《天龙八部》并饰演王语嫣，刘亦菲饰演的王语嫣一角，被冠以“神仙姐姐”的称号。

2004年7月份刘亦菲与陈柏霖、五月天合作拍摄的电影《五月之恋》正式上映，这是刘亦菲进入电影圈的第一部作品；11月13日，刘亦菲再次与林志颖合作的作品，第二部爱情电影《恋爱大赢家》上映，该片由导演朱延平导演，刘亦菲饰演金巧莉。

2005年刘亦菲与胡歌、安以轩、刘品言等主演的第一部由游戏改编的古装剧《仙剑奇侠传》热播，刘亦菲饰演女一号赵灵儿，刘亦菲把灵儿的痴情、天真、纯洁、伤心和悲惨都演得活灵活现。

2006年刘亦菲又接演了张纪中的另一部古装戏《神雕侠侣》，在剧中饰演女一号小龙女。5月份，刘亦菲签约日本索尼音乐娱乐公司；9月5日，刘亦菲首张音乐专辑《刘亦菲》在内地、香港、日本发行。

2008年刘亦菲出演《功夫之王》的女一号金燕子，在这部影片中刘亦菲与两大功夫巨星成龙、李连杰合作。5月份刘亦菲签约了威廉·莫里斯公司。

2010年刘亦菲出演王力宏的导演处女作《恋爱通告》饰演女一号宋晓青。

2011年刘亦菲出演新版《倩女幽魂》；11月份，刘亦菲在电影《鸿门宴》中饰演烈女虞姬，与冯绍峰饰演的项羽为“霸王别姬”这段千古绝恋的爱情神话增添了完美的一笔。

2012年刘亦菲主演的武侠电影《四大名捕》和历史电影《铜雀台》先后上映。在陈嘉上导演的《四大名捕》中刘亦菲饰演无情一角；在《铜雀台》中刘亦菲饰演为“刺曹”而生的杀手灵雎，此外刘亦菲还演唱了影片主题曲《等雪来》。

2013年9月，由著名武术指导尼克·鲍威尔执导，刘亦菲、海登·克里斯滕森、尼古拉斯·凯奇等联合主演的爱情动作片《最后的战争》正式开机；12月6日，刘亦菲主演的3D电影《四大名捕2》全国热映；12月23日，刘亦菲凭借《铜雀台》获得第五届澳门国际电影节最佳女主角，这也是她电影生涯中第一个女主角奖。

2014年8月22日，刘亦菲主演的武侠《四大名捕大结局》上映，继续出演女主角无情。11月7日，刘亦菲与郑智薰主演了高希希执导的爱情电影《露水红颜》，片中刘亦菲扮演一位没落的贵族小姐“邢露”。

2015年，刘亦菲参演青春爱情电影《致青春2：原来你还在这里》，饰演苏韵锦一角；6月16日，在古装玄幻电影《三生三世十里桃花》中饰演女主角白浅；9月25日，其主演的爱情电影《第三种爱情》上映，内地票房约7300万人民币；10月15日，Dior举办新闻发布会并正式宣布：刘亦菲担任Dior花蜜系列“全球首位大中华区形象大使”，刘亦菲完美诠释了迪奥花蜜系列的核心价值：那就是不断追求卓越，极富女性魅力，精致而优雅 ；11月7日，主演动作片《营救飞虎队》，饰演女主角英；11月26日，《瑞丽 伊人风尚》12月月刊封面曝光 。

2016年5月11日，刘亦菲受Dior邀请，身着迪奥高级订制礼裙出席第69届戛纳国际电影节红毯 ；5月20日，刘亦菲主演的电影《夜孔雀》在全国上映，影片还入围了第20届釜山国际电影节“亚洲电影之窗”单元，刘亦菲在片中饰演法籍华裔留学生“埃尔莎” 。