2004年，拍攝“中華航空”電視廣告。2005年，參演電影《阿嫂》，憑借《阿嫂傳奇》提名2006年香港電影金像獎最佳新演員。
2006年，與郭品超、柏原崇、瀨戶朝香等合作恐怖鬼片《黑夜之鬼鄰》，該片是香港、日本、泰國三地三個故事組成的一部恐怖片 。
2007年，劉心悠出演《大電影2.0之兩個傻瓜的荒唐事》，與姚晨、謝娜、黃渤等合作。
2009年，劉心悠與藍正龍、柯有綸等合作愛情電影《愛到底·華山24》，與藍正龍在劇中飾演一對情侶；同年，參演《魚狗》，出演陳小幸一角，與張雁名在劇中飾演一對亡命鴛鴦。
2011年，劉心悠與劉詩詩、吳奇隆等演員合作穿越劇《步步驚心》，飾演馬爾泰·若蘭一角。
2012年，劉心悠與劉庭羽、楊恭如、惠英紅合作中國大陸電視劇《唐宮燕》出演孟芙；11月，主演電影《天生愛情狂》。
2013年，劉心悠與譚耀文、穆婷婷聯(lián)袂出演神話劇《土地公土地婆》的第三單元《美人照鏡》，飾演朱慰慈。
2013年9月10日，主演都市青春喜劇電影《4B青年之4樓B座》在中國大陸上映。
2014年，出演《步步驚情》，飾演馬伊諾/整容后的藍蘭。7月，主演張家輝首次執(zhí)導的靈異電影《盂蘭神功》。
2016年，主演爆笑愛情喜劇《我的老婆是明星》定于4月8日在內地率先浪漫獻映。同年，參演由陳果執(zhí)導，張晉主演的電影《九龍不敗》，飾演女中醫(yī)。
2017年，主演古裝劇《宮心計》續(xù)集《宮心計2：深宮計》，飾演元玥。同年11月，主演電視劇《守護神之保險調查》，飾演杜心茹。
2018年，參與由爾冬升監(jiān)制，馮志強執(zhí)導，古天樂主演的電影《犯罪現場》，飾演雀鳥專家。同年，與吳卓羲合作主演電影《再見﹒女人街》。
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