1978年3月23日，刘烨生在长春市一个电影之家，父亲刘建华是长春电影制片厂的灯光师，母亲武燕双是长影厂职工。1996年，17岁的刘烨考入中央戏剧学院96级，成为了班上年龄最小的男孩。没有任何表演经验的刘烨，在中戏竞争激烈的班里压力很大，对集体生活的不适应，不擅长社交加上想家，令年少的刘烨“完全傻了”，“实在没招儿”。幸好有老师对其单纯品性的赏识，还有父母与姐姐的鼓励，才令他一点点适应了压力。
1998年，19岁的刘烨参演霍建起执导的电影《那山那人那狗》，饰演淳朴无邪、充满乡土气息的山村男孩，这部电影获得第19届中国电影金鸡奖最佳故事片奖、蒙特利尔国际电影节最受观众欢迎故事片奖、日本电影最高奖项“每日电影奖”最佳外语片奖、日本电影笔会最佳外国影片第一名以及电影旬报奖。也让刘烨获得金鸡奖最佳男配角奖提名。
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》中与胡军出演同性爱人，凭借此片刘烨夺得第38届台湾电影金马奖最佳男主角奖，此外该片还获得了“最佳导演”、“最佳改编剧本”、“最佳剪辑”及“观众票选最佳影片”五个奖项，此外该片在美国新闻周刊评出的“全球年度15部最佳影片”中位列第11位，并获得第21届香港电影金像奖最佳男主角提名。
2002年，与陈坤、周迅共同主演由戴思杰执导的电影《巴尔扎克与小裁缝》，该片入围美国金球奖最佳外语片，并成为2002年戛纳电影节及香港第25届法国电影节开幕电影。此外，刘烨与林嘉欣主演的电影《恋之风景》入围威尼斯国际电影节；与李心洁合作出演根据王安忆小说改编的同名电影《米尼》，并凭借此片提名第8届长春电影节最佳男主角；11月，与陶虹、董洁合演主演电影《天上的恋人》，该片获得第15届东京国际电影节最佳艺术贡献奖。
2003年，与章子怡、李冰冰共同主演谍战片《紫蝴蝶》，该片入围戛纳电影节，刘烨凭借此片获得第四届华语电影传媒大奖内地最受欢迎男演员奖。同年主演电影《花儿怒放》，饰演年轻的教师丁天，该片获中国电影童牛奖。12月，主演电影《青春爱人事件》，该片入围第17届东京国际电影节，获2005年底西班牙马德里实验电影节大奖，入围2006年4月意大利远东国际电影节。同年，接拍海岩生死恋三部曲之《拿什么拯救你，我的爱人》，在剧中饰演淳朴、善良、沉郁的龙小羽，并获得第3届中国电视艺术双十佳最佳演员奖。
2004年，与孙俪共同主演反映“老三届”故事的电视剧《血色浪漫》，饰演热情浪漫、潇洒不的叛逆男主角钟跃民。与舒淇联袂主演爱情电影《美人草》，刘烨在片中饰演阳光土气，青春逼人，霸气与痞气完美结合的傻男孩”刘思蒙“，并凭借该片获得第24届中国电影金鸡奖最佳男主角奖以及第10届中国电影表演艺术学会（金凤凰）优秀男演员奖；同年，与章子怡合作主演的电影《茉莉花开》获得第7届上海国际电影节评委会大奖。
2005年，刘烨参演由陈凯歌执导的奇幻史诗电影《无极》，饰演有着特异杀人功能的杀手“鬼狼”，该片入围美国金球奖最佳外语片奖。2005年，与袁泉合作舞台剧，孟京辉“爱情三部曲”的压轴篇《琥珀》，演唱主题曲《琥珀之歌》，在香港创下售票记录。
2006年，参演由张艺谋执导的商业片《满城尽带黄金甲》，并凭借该片获得香港电影金像奖最佳男配角提名和12届香港金紫荆奖最佳男配角提名。
2007年，与奥斯卡影后梅丽尔斯特里普主演剧情片《暗物质》，该片入围美国圣丹斯电影节，并获得Alfred P．Sloan奖；同时，刘烨开始尝试更多元化类型的角色，努力摆脱以往文艺青年的荧幕形象，并拓展戏路；同年，与吴彦祖、张震合作出演翻拍自《喋血街头》的动作电影《天堂口》，并在剧中饰演黑帮老大“大刚”，该片也成为第64届威尼斯国际电影节闭幕电影。
2008年，在与古天乐，大S合作的警匪片《保持通话》中饰演一头灰白短发搭配一身黑色大风衣的冷血杀手；同年，主演动作电影《硬汉》，扮演一位脑部受损伤的退役军人“老三”，为了演好这一角色，刘烨增重40斤，并凭借电影《硬汉》获得第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖。
2009年，在陆川执导的战争片《南京南京》中饰演悲壮牺牲的国民党军官陆剑，该片获得第57届西班牙圣塞巴斯蒂安国际电影节“金贝壳奖”以及最佳摄影奖，这也是中国电影首次获得该奖项。
2010年，主演都市爱情电影《无人驾驶》，饰演游离在高圆圆和李小冉扮演的两个女人之间的“志雄”，并与姚晨主演时尚爱情电影《爱出色》，饰演先锋艺术家亦鸿。搭档王珞丹出演舞台剧《琥珀》第二版，在各地共演出60场。
2011年，在献礼片《建党伟业》中扮演青年毛泽东；同年主演动作电影《硬汉2：奉陪到底》。
2012年，时隔8年再次与舒淇搭档出演刘伟强执导的爱情电影《不再让你孤单》，饰演踏实、接地气并且包容体贴的男主角方镇东；11月，与张震，吴彦祖再次合作主演陆川执导的历史古装电影《王的盛宴》，饰演复杂多疑的刘邦，并凭借该片获得亚洲电影大奖最佳男主角提名。
2013年，与张涵予、黄渤合作主演动作喜剧片《厨子戏子痞子》，刘烨在片中首次尝试逗比角色，饰演处处点头哈腰、唯唯诺诺，说话低声下气的汉奸厨子；6月27日，被法国文化部授予“法兰西文学艺术骑士勋章”；12月，与成龙领衔合作电影《警察故事2013》，该片以IMAX、3D和中国巨幕3D等效果上映，票房破5亿，并打破中国内地警匪片的票房纪录。主演抗日题材的电视剧《火线三兄弟》，饰演幽默厨子田二林。2013年，与赵薇，苏有朋，王伟忠等担任东方卫视《中国达人秀》“V5季”评委。
2014年，主演由刘和平创作的电视剧《北平无战事》，饰演飞行员方孟敖，该剧投资额达1.5亿，并获得“白玉兰奖”最佳中国电视剧奖。与赵文卓合作主演悬疑电影《全城通缉》，同年与林志玲主演电影《北京，纽约》。
2015年，刘烨与胡军，林永健，邹市明，夏克立加盟湖南卫视亲子户外真人秀节目《爸爸去哪儿第三季》。1月，主演曹保平执导的悬疑片《追凶者也》；2月，与刘亦菲，黎明共同出演由戴思杰执导的中法合拍爱情电影《夜孔雀》；6月，主演由萧峰执导的3D史诗电影《大轰炸》，该片为纪念反法西斯胜利70周年拍摄，以1937年起日本对重庆进行为期5年的空袭为历史背景。
2016年，凭电影《追凶者也》获得第19届上海国际电影节最佳男演员，影片则于同年9月14日上映。9月15日主演的战争电影《我的战争》上映。
2017年，主演革命史诗电影《建军大业》，刘烨在片中则再次饰演开国领袖毛泽东；6月，出任澳大利亚电影电视艺术学院奖（AACTA）最佳亚洲影片大评审团九名评审之一。
2019年，2019年央视春晚，刘烨与白宇演唱歌曲《时代号子》；4月，首次执导电影《我的佣兵生涯》；9月22日，与马伊琍合作主演的都市创业剧《在远方》播出。
2020年，参加中华全国总工会和中央广播电视总台共同举办的《中国梦·劳动美——致敬劳动者五·一特别节目》，与杜江共同献唱了歌曲《时代号子》。
2020年，《守岛人》由八一电影制片厂等单位出品，演员刘烨担任男主角。9月30日，参加2020央视国庆晚会《“中国梦·祖国颂”——2020国庆特别节目》，和海清演绎歌曲与朗诵《脱贫宣言》。
2021年，参加《2021年中央广播电视总台春节联欢晚会》，与杨幂、李沁等演唱歌曲《燃烧的雪花》。
大轰炸2018-08-17 饰演薛杠头 导演萧锋 主演布鲁斯·威利斯、宋承宪、黄圣依
建军大业2017-08-01 饰演毛泽东 导演刘伟强 主演欧豪、朱亚文、刘昊然
我的战争2016-09-15 饰演孙北川 导演彭顺 主演王珞丹、杨祐宁、黄志忠
追凶者也2016-09-14 饰演宋老二 导演曹保平 主演张译、柳岩、王子文
夜孔雀2016-05-20 饰演马建民 导演戴思杰 主演刘亦菲、余少群、黎明
解救吾先生2015-09-30 饰演邢峰 导演丁晟 主演刘德华、王千源、吴若甫
北京·纽约2015-03-06 饰演蓝一 导演李晓雨 主演林志玲、瑞恩·菲利普
全城通缉2014-11-06 饰演唐越 导演汪涛 主演赵文卓、秋瓷炫、古力娜扎
警察故事20132013-12-24 饰演武江 导演丁晟 主演成龙、景甜、周晓鸥
杀戒2013-06-09 饰演肖立昆 导演竹卿 主演倪妮、张逗逗
厨子戏子痞子2013-03-29 饰演厨子 导演管虎 主演张涵予、黄渤、梁静
王的盛宴2012-11-29 饰演刘邦 导演陆川 主演吴彦祖、张震、秦岚
建党伟业2011-06-15 饰演毛泽东 导演韩三平 主演冯远征、张嘉译、周润发
不再让你孤单2011-05-13 饰演方镇东 导演刘伟强 主演舒淇、黄秋生、田亮
硬汉2奉陪到底2011-04-01 饰演老三 导演丁晟 主演刘承俊、焦恩俊、张梓琳
爱出色2010-11-05 饰演栾亦鸿 导演陈弈利 主演姚晨、陈冲、莫小奇
无人驾驶2010-07-02 饰演志雄 导演张扬 主演高圆圆、李小冉、王珞丹
我们天上见2010-04-02 饰演武术教练 导演蒋雯丽 主演朱旭、姚君、马思纯
建国大业2009-09-16 饰演红军老兵 导演韩三平 主演唐国强、张国立、许晴
南京！南京！2009-04-22 饰演陆剑雄 导演陆川 主演高圆圆、范伟、秦岚
在远方2019-09-22 饰演姚远 导演陈昆晖 主演马伊琍、梅婷、保剑锋
国宝奇旅 2019-02-06 饰演任弘毅 导演花菁 主演袁姗姗
老男孩 2018-03-04 饰演吴争 导演刘俊杰 主演林依晨、雷佳音、胡先煦
北平无战事2014-10-06 饰演方孟敖 导演孔笙 主演陈宝国、焦晃、倪大红
红色通道2014-05-18 饰演伍权 导演常猛 主演何杜娟、孔维、刘斌
火线三兄弟2013-06-22 饰演田二林 导演管虎 主演张涵予、黄渤、孙宁
神枪手2010-06-29 饰演彭克虎 导演滕文骥 主演丁志诚、吕行、于越
男儿本色2010-06-01 饰演周传雄 导演曾丽珍 主演罗嘉良、王雅捷、江若琳
一个女人的史诗2009-01-10 饰演欧阳萸 导演夏钢 主演孙海英、赵薇、景甜
我们生活的年代2008-09-25 饰演袁浩东 导演张建栋 主演沙溢、赵琳、李光
向天真的女生投降2006-07-01 饰演王谦(披头) 导演傅东育 主演沈佳妮、袁苑
天和局2006-03-04 饰演闵华堂 导演于荣光 主演孙俪、归亚蕾、杨幂
一针见血2006-03-01 饰演苏岩 导演康洪雷 主演左小青、黄觉、李晨
血色浪漫2005-04-29 饰演钟跃民 导演滕文骥 主演孙俪、连奕名、潘艺心
荆轲传奇2004-12-21 饰演荆轲 导演李惠民 主演何润东、王亚楠、瞿颖
夏天的味道2004-10-29 饰演张弈 导演汪小迪 主演石微羽、佟大为、于娜
画魂2003-12-01 饰演田守信 导演关锦鹏 主演李嘉欣、胡军、伊能静
拿什么拯救你，我的爱人2003-06 饰演龙小羽 导演赵宝刚 主演印小天、于娜、傅晶
有情鸳鸯无情剑2002-02 饰演邵达 导演陈会毅 主演袁泉、高宝宝
有房别出租2002 饰演丁羽飞 导演文铨 主演吴越，佟瑞欣，池华琼，谢娜
2016 第19届上海国际电影节-金爵奖最佳男主角奖 追凶者也 （获奖）
2004 第24届中国电影金鸡奖最佳男主角奖 美人草 （获奖）
1999 第19届中国电影金鸡奖最佳男配角奖 那山那人那狗 （提名）
2001 第38届台湾电影金马奖最佳男主角奖 蓝宇 （获奖）
2014 第14届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖 厨子戏子痞子 （提名）
2005 第5届华语电影传媒大奖最佳男演员奖 美人草 （提名）
2004 第4届华语电影传媒大奖内地最受欢迎男演员奖 紫蝴蝶 （获奖）
2004 第4届华语电影传媒大奖最佳男演员奖 紫蝴蝶 （提名）
2007 第12届香港电影金紫荆奖最佳男配角奖 满城尽带黄金甲 （提名）
2002 第7届香港电影金紫荆奖最佳男主角奖 蓝宇 （提名）
2008 第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖 硬汉 （获奖）
2005 第10届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖 美人草 （获奖）
2003 第3届中国电视艺术双十佳最佳演员奖 拿什么拯救你，我的爱人 （获奖）
2020 2019微博之夜-微博年度影响力演员 （获奖）
2014 《福布斯》中国名人榜第48名 （获奖）
2013 法兰西艺术与文学骑士勋章 （获奖）
2012 《精品购物指南》影响2011时尚盛典年度演艺榜样奖 （获奖）
2012 "2010中国明星慈善榜"年度慈善明星 （获奖）
2012 娱乐大典“年度最具影响力电影男演员”奖 建党伟业 （获奖）
2011 搜狐年度娱乐盛典—“微博先生”奖 （获奖）
2011 中国电影华鼎奖”老百姓最喜爱的十佳电影明星“奖 （获奖）
2010 2009星光大典内地年度电影男演员 南京南京 （获奖）
2010 第五届风尚中国榜“年度风尚先生” 奖 （获奖）
2010 “中国影响2009·时尚盛典”年度银幕（票房）之星奖 （获奖）
2009 搜狐评选“内地电影权势榜十大权势男影星” （获奖）
2009 “ELLE风尚大典”年度风尚演员（ELLE Style Actor）奖 （获奖）
2009 《时尚》杂志《时尚座驾》年度明星奖 （获奖）
2009 《新周刊》2008电视榜最深入人心的电视形象奖 我们生活的年代 （获奖）
2009 《福布斯》中国名人榜第42名 （获奖）
2008 《福布斯》中国名人榜第31名 （获奖）
2008 第十一届上海国际电影节“十佳环保明星”奖 （获奖）
2008 “2008中国娇子新锐榜”年度艺人奖 （获奖）
2007 《福布斯》中国名人榜第33名 （获奖）
2007 获中国新绅士“绅士风度奖” （获奖）
2006 TOM娱乐盛典“年度最具影响力演员”奖 （获奖）
2006 TOM娱乐盛典华语“四大小生”奖 （获奖）
2006 《福布斯》中国名人榜第25名 （获奖）
2005 《精品购物指南》影响2004.时尚盛典中国娱乐风云人物奖 （获奖）
2005 “2005年度时尚先生”奖 （获奖）
2005 《福布斯》中国名人榜第20名 （获奖）
2005 《福布斯》中国名人榜第26名 （获奖）
2004 莱卡·ChannelYoung风尚红地毯奖 （获奖）
2004 MTV超级盛典最具风格卓越表现艺人奖 （获奖）
在当今的年轻演员中，刘烨可算得‘独一无二，独树一帜。（陈凯歌评）
刘烨非常刻苦和用心。他的许多动作都是自己设计的，在表演上对人物的把握很准确。（张艺谋评）
刘烨在戏里是个悲剧人物，残酷社会的牺牲品。一个单纯的人的改变，也是这个戏的主题之一，人性本来是美好的，但一些罪恶把这些美好给糟蹋了。刘烨的演技、眼神非常好，所以很想跟他合作。刘烨也具有明星架势，除了具周润发的魅力，还有一种潇洒。他的表演非常传神，有那种高贵的气质。（吴宇森评）
刘烨是一个特别会演戏的演员，收放自如，特别会用自己的方式寻找人物的性格（陈木胜评）。刘烨是一个天生的演员，现场爆发力好，平时不见琢磨剧本，出场却从不露怯，有驾驭各类角色的能力。对表演很用心，一场戏他会向我建议很多种演法，给我的启示也很大。（吕乐评）
刘烨是能够让你感觉到会出现奇迹的人。他的忍耐力和他自己特别的强烈的直觉，肯定他有他自己完全不一样的东西。刘烨是一个特别感性的人，他在排练场每一瞬间都在进步，他太棒了，他的爆发力，他对舞台节奏的控制，都让我惊叹。（孟京辉评）。刘烨的眼神很纯粹很干净，当年采访他就有这种感觉；当他直视你的时候，眼神中释放的真诚让人很难不被打动（腾讯娱乐评）。
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