2002年，制片人游建鸣无意中看见刘亦菲担任形象代言的广告，后选中其出演白秀珠一角，刘亦菲因此接触表演进入演艺圈；6月18日，刘亦菲正式进组拍摄电视剧《金粉世家》；同年，刘亦菲参加了《天龙八部》剧组的试镜，经过试戏她最终被选定出演神仙姐姐王语嫣一角，9月16日，刘亦菲正式进组拍摄该剧。
2003年3月20日，刘亦菲与李大为导演合作的民国爱情剧《金粉世家》在央视八套黄金档首播，她在剧中饰演了敢爱敢恨、出身优越的富家小姐白秀珠一角。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，其主演的古装武侠剧《天龙八部》首播，这是刘亦菲首部古装作品，她因在剧中饰演了清艳唯美、文静而有才学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。之后该剧登陆台湾中视播出，收视率达5.69%，取得了台湾同时段收视第一的成绩。
2004年6月，刘亦菲开始参与电视剧《神雕侠侣》剧组的试镜；7月16日，刘亦菲与陈柏霖合作主演的青春爱情电影《五月之恋》上映，这是刘亦菲首部电影作品，她在片中饰演了性格开朗活泼又豪爽的京剧团学生赵瑄，而这也是她首次尝试现代装造型；同年10月11日，刘亦菲正式确定出演小龙女一角，并进组拍摄；11月30日，其主演的青春爱情电影《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。
2005年1月24日，刘亦菲主演的古装仙侠剧《仙剑奇侠传》首播，她在剧中饰演的南诏国公主赵灵儿天真无邪、善解人意，同时又身负拯救苍生的使命，并因该角色获得了高人气与关注度；同年6月，正式签约日本索尼音乐娱乐公司，此外，刘亦菲还接受了声乐和舞蹈训练，因此暂时息影不再接拍电视剧。
2006年3月17日，与黄晓明领衔主演的古装武侠剧《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；7月1日，发行首张日语EP《真夜中のドア》（中文名《深夜之门》），其中同名单曲亦成为日本动画片《飞天小女警Z》的片尾曲；8月31日，其首张个人同名国语专辑《刘亦菲》在内地发行，该专辑后于9月15日在香港、台湾、东南亚及日本同步发行；9月6日，发行首张日语专辑《All My Words》；10月27日，担任第6届中国金鹰电视艺术节开幕式的金鹰女神，刘亦菲由此成为金鹰节历史上首位金鹰女神，她在开幕式晚会上领衔表演了开场舞《金鹰飞翔》，还在随后的节目中演唱了歌曲《心悸》。
2007年1月，刘亦菲演唱的歌曲《心悸》获得第6届中国原创音乐流行榜内地金曲奖；同年4月，确定搭档成龙、李连杰出演个人首部好莱坞电影《功夫之王》，并在片中饰演女主角金燕子一角，之后刘亦菲为该片提前进入训练地接受多种武术训练；同年，刘亦菲还被评为“中国80后十大杰出代表人物”。
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；4月24日，刘亦菲主演的电影《功夫之王》在中国内地上映，国内票房突破1.85亿，海外票房达1.28亿美元；而她则在片中饰演了武功高强、冷艳夺目的侠女金燕子，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，签约了WMA威廉莫里斯经纪公司；截至12月31日，刘亦菲在上半年仅凭借《功夫之王》一部作品，以11.34亿次的百度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，该片打破国内同类型爱情片票房记录。
2011年4月19日，与古天乐合作主演的奇幻爱情片《倩女幽魂》上映，刘亦菲在片中饰演了妩媚动人的狐妖聂小倩，该片海外版权预售达1200万美元，创下国产片海外发行新纪录、内地票房则突破1.5亿；11月29日，由李仁港执导的古装战争片《鸿门宴传奇》上映，该片票房达1.3亿，刘亦菲则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，刘亦菲连续七年登上福布斯中国名人榜。
2012年7月12日，刘亦菲与陈嘉上导演合作的古装武侠动作片《四大名捕》上映，该片为“四大名捕三部曲”的第一部，刘亦菲在片中饰演了心思缜密、冷静内敛而坚韧的女神捕无情一角，该片内地票房达2亿元，位列2012年度国产片票房榜第七名；9月26日，与周润发合作主演的古装历史片《铜雀台》上映，刘亦菲首次在片中挑战一人分饰两角，她饰演了绝美神秘、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刘亦菲获得了第5届澳门国际电影节最佳女主角奖，而该片的主题曲《等雪来》也由她演唱。
2013年12月6日，刘亦菲主演的古装武侠动作片《四大名捕2》上映，她在片中继续出演心思缜密、能读懂人心的女主角无情一角，并演唱电影主题曲《放下》，该片上映首周位居第三，最终取得1.74亿元的票房成绩；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，其主演的古装武侠动作片《四大名捕大结局》上映，该片票房达1.92亿，至此其主演的《四大名捕》系列三部曲均破亿；11月7日，由高希希执导的都市爱情片《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，与尼古拉斯·凯奇、海登·克里斯滕森合作主演的古装战争片《白幽灵传奇之绝命逃亡》上映，刘亦菲在片中饰演的宋朝公主赵莲美丽神秘，她纯洁善良、拥有非凡的胆略和智慧；9月25日，由韩国导演李宰汉执导的都市爱情片《第三种爱情》上映，刘亦菲在片中饰演了精明强干、美丽知性的律师邹雨，凭借在该片中的表现她获得了第16届华语电影传媒大奖最受瞩目女演员奖；同年，丹麦导演比利·奥古斯特在看了刘亦菲个人的电影作品后，选中其出演电影《烽火芳菲》的女主角。
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，刘亦菲为该角色专门学习了法语，她在片中饰演了一位敏感而独立、敢爱敢恨的法籍华裔留学生艾尔莎；7月8日，刘亦菲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苏韵锦，而该片的主题曲《还在这里》也由她演唱。该片取得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，刘亦菲在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；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形象出现，塑造了坚毅顽强、勇敢善良的单身母亲英子一角；11月30日，迪士尼官方正式宣布刘亦菲出演真人版电影《花木兰》，片中饰演女主角花木兰一角；12月，主演改编自同名漫画的民国传奇剧《南烟斋笔录》，刘亦菲在剧中同时挑战两个角色，饰演具有双重人格的人物形象，分别是具有奇妙的力量、独特的使命的南烟斋掌柜陆曼笙和攻气十足的暗黑系病娇女夜摩罗，而这也是她阔别荧屏11年后再演电视剧；12月29日，由陈国富监制的奇幻喜剧片《二代妖精之今生有幸》上映，刘亦菲在片中饰演了俏皮灵动、对感情执着的北极银狐白纤楚，这是她首次尝试喜剧角色。
2018年1月2日，当选2017时光年度大赏华语影坛“十大风云人物”。2019年，刘亦菲凭借其主演的电影《花木兰》入选《好莱坞报道者》评选的25名“好莱坞新星”之一。2020年9月11日，刘亦菲与妮基·卡罗导演合作的迪士尼真人版剧情电影《花木兰》上映，她在片中饰演的女主角花木兰英勇无畏、在经历了种种考验后，最终成长为一名真正的战士。而刘亦菲则凭借在该片中的表现获得第46届美国电影土星奖最佳女主角、及第1届评论家选择超级奖动作电影最佳女演员提名，并获得了英国数码间谍读者奖最佳女演员奖。此外，她还为电影献唱了中文主题曲《自己》和迪士尼 英文版主题曲《reflection》。
2021年2月，领衔主演由杨阳执导的女性古装励志剧《梦华录》，该剧根据关汉卿的元曲代表作改编，刘亦菲在剧中饰演女主角赵盼儿。
