2004年,拍摄“中华航空”电视广告。2006年,凭借电影《阿嫂传奇》提名香港电影金像奖最佳新演员 。 2008年,出演台湾偶像剧《幸福的抉择》、《幸福的味道》和电影《爱到底》。2011年,刘心悠在穿越剧《步步惊心》中饰演马尔泰·若兰。2012年,与郭富城主演电影《百年浮城》,与张智霖合作电影《天生爱情狂》。2013年,参演《唐宫燕》饰演孟芙 。 2014年,在《步步惊情》中饰演马伊诺。2016年,主演爆笑爱情喜剧《我的老婆是明星》定于4月8日在内地率先浪漫献映。2017年,拍摄《宫心计》续集《深宫计》。2018年,参与由尔冬升监制,冯志强执导,古天乐主演的电影《犯罪现场》,饰演雀鸟专家。2019年7月2日,参演的电影《九龙不败》在中国大陆上映,在剧中饰演王医师。
2004年,拍摄“中华航空”电视广告。2005年,参演电影《阿嫂》,凭借《阿嫂传奇》提名2006年香港电影金像奖最佳新演员。2006年,与郭品超、柏原崇、濑户朝香等合作恐怖鬼片《黑夜之鬼邻》,该片是香港、日本、泰国三地三个故事组成的一部恐怖片。
2007年,刘心悠出演《大电影2.0之两个傻瓜的荒唐事》,与姚晨、谢娜、黄渤等合作。
2009年,刘心悠与蓝正龙、柯有纶等合作爱情电影《爱到底·华山24》,与蓝正龙在剧中饰演一对情侣;同年,参演《鱼狗》,出演陈小幸一角,与张雁名在剧中饰演一对亡命鸳鸯。
2011年,刘心悠与刘诗诗、吴奇隆等演员合作穿越剧《步步惊心》,饰演马尔泰·若兰一角。
2012年,刘心悠与刘庭羽、杨恭如、惠英红合作中国大陆电视剧《唐宫燕》出演孟芙;11月,主演电影《天生爱情狂》。
2013年,刘心悠与谭耀文、穆婷婷联袂出演神话剧《土地公土地婆》的第三单元《美人照镜》,饰演朱慰慈。
刘心悠把《步步惊心》若兰这位痴情美女演绎的淋漓尽致,一颦一笑都扣人心弦,被称赞为“最美古装扮相”(东方网、重庆晨报评)。
刘心悠拥有着白羊座女孩最典型的特点:活泼开朗、热情率直(每日新报评)。