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）。2019年，首次执导电影《我的佣兵生涯》。