刘玉玲与其兄于纽约皇后区的杰克逊高地长大，父母分别出生于北京和上海，其父母在家中只说中文，直到她5岁时才开始学英文。
父亲是一位土木工程师，母亲则是一位生化学家，移居至美国后，放弃了他们的原有的职业。因为父母的坚持，刘玉玲相当认真求学，她在1986年毕业于纽约市著名的史岱文森高中，接着就读纽约大学，于一年后转学到密歇根大学，取得亚洲语言及文化学士学位。
1990年，刘玉玲正式步入影坛，接拍其第一部电影《贝弗来山90210》，在这部电影中，刘玉玲扮演一个女招待的角色。之后，她在1995年独立影片《Bang》中她饰演一名妓女，她还在《甜心先生》中得到过一个小角色。
1997年，她出演了电视剧《甜心俏佳人》。
1999年，她先是在克林特·伊斯特伍德自导自演的影片《真实罪行》中扮演一个死于非命的小商店店员，接着又在梅尔-吉布森主演的犯罪题材动作片《危险人物》中出演黑帮首领的情妇，年底她还在安东尼奥·班德拉斯和伍迪·哈里森主演的讲述拳击手生涯的影片《玩到死》中摇身一变成为搭车女郎。后又与卡蒙-伊莱克特拉在《Mating Habits of the Earth Bound Human》中演对手戏。
2000年，刘玉玲与卡梅伦·迪亚兹、茱儿·巴里摩尔合演《霹雳娇娃》系列，随后知名度大增，身价暴涨。2002年，刘玉玲与安东尼奥·班德拉斯再次合作，主演影片《对垒特工》。
2003年，刘玉玲在《杀死比尔》中的表演，为她赢得了MTV电影奖最佳反派。
2006年，刘玉玲参演《幸运数字斯莱文》，剧中她饰演乔什·哈奈特恋上的一名女孩；同年，刘玉玲踏入执行制片人行列的一年，她制作了一部讲述1956年匈牙利革命的纪录影片《自由的愤怒》，制作并主演了影片《恶报》和《清除代码》。
2008年，刘玉玲在《功夫熊猫》中配音的是一条身手不凡的“美女蛇”。
2011年，她加盟警匪剧《南城警事》第四季。
2012年，刘玉玲成为CBS版的福尔摩斯《基本演绎法》中华生的扮演者。同年11月2日，她出演的动作电影《铁拳》在美国上映。
2013年，第70届美国电影电视金球奖颁奖典礼在美国洛杉矶比弗利山比弗利希尔顿酒店举行，刘玉玲亮相红毯。同年，她入围奥斯卡金像奖会员。
2014年，刘玉玲与休·杰克曼、乔纳森·格罗夫一同公布第68届托尼奖提名名单。
2019年，刘玉玲在好莱坞星光大道举行留星仪式，她的留星位置将跟亚裔前辈黄柳霜挨在一起。7月21日，参演电视剧《致命女人》在洛杉矶LGBT电影节首播。
功夫熊猫3 2016 饰演Viper（配音）
小叮当与海盗仙子2014
小叮当：羽翼之谜2012
铁拳2012 饰演花夫人
布利斯的爱情2011
功夫熊猫2 2011 饰演俏小龙
疼痛是福2011
超脱2011
小叮当：夏日风暴2010
小叮当与失去的宝藏2009
致命女人2019-07-21 饰演Simone 导演大卫·格罗斯曼 主演金妮弗·古德温
基本演绎法2012 饰演琼·华生
嫁给我2010 导演James Hayman
南城警事2009
女人帮2008
黑金诱惑2007
丑女贝蒂2006
乔伊2004
飞出个未来1999
甜心俏佳人1997
1999 喜剧类剧集-喜剧类剧集最佳女配角 甜心俏佳人 （提名）
2004 最佳歌舞场面 霹雳娇娃2 （提名）
2004 最佳反派 杀死比尔1 （获奖）
2001 最佳银幕搭档 霹雳娇娃 （获奖）
2001 最佳服装 霹雳娇娃 （提名）
2004 最佳女配角 （提名）
2001 最佳女配角 （提名）
2013 最佳动作TV女演员 （获奖）
2002 最佳电影怒火戏 （提名）
2016 哈佛大学2016年度艺术家奖 （获奖）
刘玉玲造型多变，优雅妩媚，与花木兰动画形象有着眉目之间的神似。刘玉玲因美剧《基本演绎法》而备受关注。在《基本演绎法》中，和其他亚裔演员扮演的角色不同，刘玉玲在剧中有一段浪漫而非神经质的浪漫生活，剧中的衣着打扮也希望能够摆脱大众对亚裔女演员的刻板印象。（潇湘晨报、中国新闻网、新浪评）
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