2004年,拍摄“中华航空”电视广告。2005年,参演电影《阿嫂》,凭借《阿嫂传奇》提名2006年香港电影金像奖最佳新演员。2006年,与郭品超、柏原崇、濑户朝香等合作恐怖鬼片《黑夜之鬼邻》,该片是香港、日本、泰国三地三个故事组成的一部恐怖片。
2007年,刘心悠出演《大电影2.0之两个傻瓜的荒唐事》,与姚晨、谢娜、黄渤等合作。
2009年,刘心悠与蓝正龙、柯有纶等合作爱情电影《爱到底·华山24》,与蓝正龙在剧中饰演一对情侣;同年,参演《鱼狗》,出演陈小幸一角,与张雁名在剧中饰演一对亡命鸳鸯。
2011年,刘心悠与刘诗诗、吴奇隆等演员合作穿越剧《步步惊心》,饰演马尔泰·若兰一角。
2012年,刘心悠与刘庭羽、杨恭如、惠英红合作中国大陆电视剧《唐宫燕》出演孟芙;11月,主演电影《天生爱情狂》。
2013年,刘心悠与谭耀文、穆婷婷联袂出演神话剧《土地公土地婆》的第三单元《美人照镜》,饰演朱慰慈。
2013年9月10日,主演都市青春喜剧电影《4B青年之4楼B座》在中国大陆上映;
2014年,出演《步步惊情》,饰演马伊诺/整容后的蓝兰。7月,主演张家辉首次执导的灵异电影《盂兰神功》。
2016年,主演爆笑爱情喜剧《我的老婆是明星》定于4月8日在内地率先浪漫献映。
2017年,拍摄《宫心计》续集《深宫计》。
刘心悠把《步步惊心》若兰这位痴情美女演绎的淋漓尽致,一颦一笑都扣人心弦,被称赞为“最美古装扮相”(东方网、重庆晨报评)。
刘心悠拥有着白羊座女孩最典型的特点:活泼开朗、热情率直(每日新报评)。