2015年7月，在由劉詩詩、鄭愷主演的都市情感電視劇《那年青春我們正好》中飾演肖 小軍的發小高旗。10月，參演根據郭敬明同名小說改編的玄幻電視劇《幻城》，飾演冰族屬國熊族王子遼濺，為了王和勝利放棄作為戰士的尊嚴，舍生忘死 。
2016年5月9日，劉冬沁出席電視劇《那年青春我們正好》發布會。10月7日，主演的都市科幻網絡劇《我不是妖怪》在優酷土豆上線，在劇中劉冬沁飾演狂族四大主帥成員之一陳可破，擁有不死之身。
2017年1月28日，劉冬沁參加以“歡動萬家夜，愛暖中國心”為主題的北京臺春節聯歡晚會，與李晨、楊旭文和梁譯木等人演唱歌曲《沖向巔峰》。之后，主演青春電影《草樣年華》。
2018年1月31日，以滑雪為題材的青春懸疑偶像劇《東山晴后雪》在芒果TV上線，在劇中劉冬沁飾演滑雪教練韓東山，與陽光善良的滑雪場VIP接待員趙曉晴之間圍繞懸疑、尋親、復仇而展開的一段先甜后虐的愛戀糾葛。3月29日，主演的都市青春偶像劇《戀與偶像》在愛奇藝上線，劉冬沁所飾演的赫連榮光是個街舞技能出眾、個性張揚的隊長。6月15日，懸疑刑偵網絡劇《法醫秦明2清道夫》在搜狐視頻上線，劉冬沁飾演秦明，開啟探案的故事。
2019年1月17日，與侯明昊、祝緒丹等搭檔主演懸疑探案劇《心宅獵人》，劉冬沁在劇中飾演心理醫生秦一恒，是一名留洋歸來學霸級人物，外表看似高冷難以接近，內心卻十分講義氣。之后，與阮經天和宋祖兒搭檔主演美食題材都市青春劇《舌尖上的心跳》。
2021年9月19日，主演的青春校園電影《我的青春有個你》全國上映，飾演男主角邱飛。2021年，主演獻禮建黨100周年的歷史劇情電影《1921》，在片中飾演施存統。
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