1999年,刘烨因主演电影《那山那人那狗》饰演山村男孩步入影坛,该片获蒙特利尔国际电影节最受观众欢迎故事片奖。
2001年,刘烨凭借电影《蓝宇》获得台湾电影金马奖最佳男主角奖。
2002年主演《巴尔扎克与小裁缝》,代表法国入围美国金球奖最佳外语片。
2003年,在海岩剧作《拿什么拯救你,我的爱人》饰演龙小羽走红。
2004年,主演电影《美人草》获得中国电影金鸡奖最佳男主角奖。
2005年,主演电视剧《血色浪漫》饰演钟跃民。
2008年,主演电影《硬汉》,饰演“老三”,获得第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖。
2011年在电影《建党伟业》中饰演毛泽东,该片获五个一工程奖。
2013年,与成龙合作电影《警察故事2013》,打破中国内地警匪片的票房纪录;6月27日,被法国文化部授予“法兰西文学艺术骑士勋章”。
2014年主演电视剧《北平无战事》饰方孟敖;2月5日,获以色列旅游部长乌齐·兰多授予以色列旅游亲善大使。
2016年,在悬疑片《追凶者也》中饰演宋老二,他则凭借该片获得第19届上海国际电影节最佳男主角(即金爵奖影帝)。