1998年，19岁的刘烨参演霍建起导演的《那山那人那狗》，饰演淳朴无邪、充满乡土气息的山村男孩，这部电影获得蒙特利尔国际电影节最受观众欢迎故事片奖，也让刘烨获得第19届中国最佳故事片奖和最佳男配角奖提名。

2001年，大学刚毕业的刘烨被关锦鹏相中，在100多位竞争者中脱颖而出，在电影《蓝宇》中出演同性恋角色，凭借此片的出色表演，夺得第38届台湾电影金马奖最佳男主角奖。

2002年5月，与陈坤、周迅合作电影《巴尔扎克与小裁缝》，入围美国金球奖 。

2003年，他担任主角的电影《紫蝴蝶》入围戛纳电影节；参演《美人草》饰演“刘思蒙”，夺得中国电影金鸡奖最佳男主角奖；同年，接拍海岩电视剧《拿什么拯救你，我的爱人》。

2004年，刘烨主演的电影《恋之风景》入围威尼斯国际电影节；同年，与孙俪合作反映“老三届”故事的电视剧《血色浪漫》，饰演钟跃民。

2005年，与袁泉合作舞台剧《琥珀》在香港艺术节上首演，至2010年在各地共演出60场；12月，刘烨参演陈凯歌电影《无极》，首次出演商业电影；

2006年12月，参演张艺谋电影《满城尽带黄金甲》。

2007年1月，与好莱坞女星梅丽尔斯特里普主演《暗物质》，并入围美国圣丹斯电影节，获Alfred P．Sloan奖 ；8月，刘烨在《天堂口》中饰演黑帮老大“大刚”。

2008年9月，在《保持通话》中饰演冷血杀手；11月，主演电影《硬汉》，扮演一位脑部受损伤的退役军人“老三”，获得第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖。

2010年7月，主演电影《无人驾驶》出演游离在高圆圆和李小冉扮演的两个女人之间的“志雄”。

2011年，在群星云集的电影《建党伟业》中扮演青年毛泽东。2012年11月，主演陆川导演的历史古装电影《王的盛宴》，饰演复杂多疑的刘邦。

2013年3月，与张涵予、黄渤合作的动作喜剧片《厨子戏子痞子》29日起全国公映，刘烨在片中挑战处处点头哈腰、唯唯诺诺，说话低声下气的汉奸厨子；6月27日，被北京法国领事馆授予“法兰西文学艺术骑士勋章”。12月，与成龙领衔合作的《警察故事2013》票房破5亿。