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1989年，还在上小学的刘芸被选进体校，学习艺术体操。1991年，广州舞蹈学院去长沙挑选学生，由于有良好的艺术体操功底，刘芸被特招进了广州舞蹈学院少女舞蹈团，进行了为期4年的专业民族舞训练。
1997年，刘芸毕业后被分配到广东南方歌舞团，成了正式的舞蹈演员。2000年，刘芸考入中央戏剧学院。
2001年，主演个人首部电视剧《三重门》，在剧中饰演“沈溪儿”一角，并凭借该剧正式进入演艺圈。
2002年，出演献礼片《走向太阳》，在片中饰演小豆子；同年，出演校园励志剧《命运的承诺》，在剧中饰演问题少女杨若榴；同年出演剧情片《青春演绎》，饰演沈溪儿。
2003年，与季晨、姚笛共同出演校园偶像剧《歌让我狂》，饰演“HAPPY女生”乐队成员麦云洁；同年，与宁静、傅艺伟共同出演古装轻喜剧《新五女拜寿》，在剧中饰演当朝吏部尚书四女儿梁暖云。
2004年，参演由董力执导的历史剧《大汉天子2》，饰演坚忍又不失可爱的“奇女子”秋婵。
2005年，与蒋勤勤、聂远共同主演古装专辑传奇剧《大汉巾帼》，饰演外表冷漠内心善良的职业杀手娟子；6月，出演由赤飞小说《无影之墙》改编的警匪电视剧《誓不罢休》，在剧中饰演英姿飒爽的警花林芳。
2006年，出演游本昌执导的武侠神话剧《了凡》，在剧中饰演雷厉风行的赵灵儿；同年客串出演梁德华执导的动作剧情片《无影剑》，在片中饰演尺素；6月，客串出演宋江波执导的悬疑侦探片《大道如天》，在片中饰演江姗姗；11月，出演梁德华执导的古装爱情剧《风尘三侠之红拂女》，在剧中饰演个性倔强不屈且沉默寡言的尺素。
2007年，登上《时代周刊》八月刊的封面；12月，与邓超、车晓共同主演都市情感剧《钻石王老五的艰难爱情》，在剧中饰演有义气的女记者于飞；同月，与高鑫、王奎荣共同主演的剧情片《梅花结》开机，在片中饰演出身显赫世家却心怀革命事业的林咏梅。
2008年，出演于敏执导的古装武侠剧《鹿鼎记》，在剧中饰演沐王府小郡主沐剑屏。
2009年，主演宋江波执导的剧情片《重归杜鹃》，在片中饰演“逃跑新娘”孙媚；8月，与周杰、王雅捷共同主演谍战剧《秘密列车》，在剧中饰演性格热烈、活泼执着的乘务员辛红羽；9月，客串出演陈国富和高群书联合执导的犯罪悬疑片《风声》；10月，与赵子琪共同主演都市情感剧《你永远不会独行》，在剧中饰演好胜心强、狂放不羁的金依楠。
2010年，主演卢伦常执导的年代爱情剧《新一剪梅》，在剧中体弱多病的悲情女万秋玲；6月，与林心如、贺军翔共同主演爱情喜剧片《活该你单身》，在片中饰演对感情患得患失的都市白领美佳；9月，参演黄力加执导的家庭情感剧《牵挂》，在剧中饰演性格倔强、爱情异常执着的袜厂女工牛建红。
2012年，与文章共同主演喜剧片《亲家过年》，在片中饰演富二代女孩郑丹丹；3月，出演杨文军执导的女性情感剧《风和日丽》，在剧中饰演米艳艳；7月，与应采儿、甘薇、熊乃瑾共同主演青春爱情网络剧《女人帮·妞儿》，在剧中饰演虚荣且自卑的自由职业者沙晶；11月，与李宗翰、李立群共同主演抗战剧情片《咆哮无声》，在片中饰演时尚靓丽的都市女孩万云。
2013年，与吴孟达、于谦共同主演喜剧情感片《大片》，在片中饰演落魄的群众演员小花；7月，与陈楚河共同主演都市爱情剧《艾乐乐的罗曼蒂克》，在剧中饰演其貌不扬、真诚善良的服装设计师艾乐乐；8月，与周渝民和刘诗诗共同主演爱情文艺片《回到爱开始的地方》，在片中饰演性格可爱直率的薇薇安；9月，参演叶伟民执导的喜剧片《一路顺疯》，在片中饰演男主角前女友美玲；11月，客串出演金琛执导的青春爱情网络剧《女人帮·妞儿第二季》，在剧中饰演沙晶。
2014年，与刘承俊、蓝燕共同主演喜剧片《硬汉奶爸》，在片中饰演业余摄影师依怜；10月，与连凯、马元共同主演喜剧片《房车奇遇》，在片中饰演痴情拉丁舞女教练Lisa；11月，与刘流、蔡琳共同主演年代喜剧《傻儿传奇》，在剧中饰演美丽动人、坚韧不屈的李若云。
2015年，参加江苏卫视美食竞技真人秀节目《星厨驾到》；6月，与郭家铭共同主演爱情青春片《再见我们的十年》，在片中饰演为了爱勇敢找回自己的琪琪；同月，与彭冠英共同主演的都市温情剧《小棉袄》开拍，在剧中饰演慕容雪；8月，参加东方卫视创意时尚真人秀节目《女神新装》。
2016年，参加湖南卫视校园纪实真人秀节目《一年级·大学季》；7月，为艾什·布兰农执导的动画影片《摇滚藏獒》中雪儿一角配音；12月，参演白杨执导的都市情感剧《老公们的私房钱》，在剧中饰演有想法、够个性的郑朵朵。
2017年，与袁弘、宋佳共同主演的都市情感剧《爱的正确标记法》开机，在剧中饰演渴望奢靡浮华生活的公司职员徐梓童；同月参加喜剧脱口秀节目《吐槽大会》；4月，参演张孝正、丁仰国执导的古装历史剧《思美人》，在剧中饰演战国妖姬、楚怀王宠妃郑袖；8月，主演陈卓执导的爱情片《高级动物的爱恋》；11月，参加浙江卫视演技竞演类节目《演员的诞生》。12月，拍摄热血青春励志剧《艳势番之新青年》，在剧中饰演芳儿。
2018年，拍摄电视剧《怦然心动的小姐姐》，饰演苏怡文。
2020年，参与芒果TV选拔综艺《乘风破浪的姐姐》，2020年6月26日播出的《乘风破浪的姐姐》，被淘汰。2021年2月26日，出演的电视剧《锦心似玉》播出。
锦心似玉2021-2-26饰演文姨娘导演温德光主演钟汉良、谭松韵
上阳赋2021-1-9饰演苏锦儿导演侯咏、程源海主演章子怡、周一围
生活像阳光一样灿烂2020-8-10饰演徐梓童导演赵轶超主演宋佳、袁弘
怦然心动的小姐姐2020-07-28饰演苏怡文导演杨宗德主演宋铭宇
小棉袄2018-07-30饰演慕容雪导演林合隆主演彭冠英
热血同行2020-01-20饰演芳儿导演刘一志主演黄子韬、易烊千玺
思美人2017-04-28饰演郑袖导演张孝正、丁仰国主演乔振宇、马可、张馨予
傻儿传奇2014-11-07饰演李若云导演刘流主演刘流、蔡琳
产科男医生2014-05-07饰演客串导演周德华主演贾乃亮、李小璐
我的儿子是奇葩2014-03-06饰演客串导演汪俊主演佟大为、关悦
小爸爸2013-09-02饰演早婚女（客串）导演文章主演文章、马伊琍、朱佳煜
失恋33天2013-08-14饰演电影院观众（客串）导演刘恺主演姚笛、张默、沈佳妮
艾乐乐的罗曼蒂克2013饰演艾乐乐导演习辛主演陈楚河、李金哲、潘晓莉
风和日丽2012饰演米艳艳导演杨文军主演李晨、马伊琍、尤勇
北京爱情故事2012饰演咪咪（客串）导演陈思成主演陈思成、佟丽娅、张歆艺
女人帮·妞儿2012饰演沙晶导演金琛主演应采儿、熊乃瑾、甘薇
河洛康家2010饰演崔月红导演潘军主演陶红、巍子、胡海峰
牵挂2010饰演牛建红导演黄力加主演张国强、牛莉、张博
新一剪梅2010饰演万秋玲导演卢伦常主演霍建华、陈思成、吕一
了凡2009饰演赵灵儿导演游本昌主演李解、游本昌、杨明娜
高级动物的爱恋2017-08导演陈卓主演郭家铭、焦刚
再见我们的十年2015-06饰演琪琪导演孙皓主演郭家铭
房车奇遇2014-10饰演Lisa导演路阳主演连凯、马元
硬汉奶爸2014-04-11饰演依玲导演李奥主演王一鸣、刘承俊
一路顺疯2013-09-29饰演美玲导演叶伟民主演陈思成、包贝尔、蒋梦婕
回到爱开始的地方2013-08-23饰演薇薇安导演林孝谦主演周渝民、刘诗诗、周一围
大片2013-06-11饰演小花导演向飞主演吴孟达、于谦、王宁
咆哮无声2012-11-02饰演万云导演萧锋主演李宗翰、李立群、恬妞
亲家过年2012-01-18饰演郑丹丹导演叶伟民主演文章、蔡明、张丰毅
活该你单身2010-06-13饰演美佳导演蔡心主演贺军翔、林心如、爱戴
风声2009-09-29饰演护士导演陈国富、高群书主演周迅、李冰冰、黄晓明
重归杜鹃2009饰演孙湄导演宋江波、杨晶主演何伟、王博
梅花结2008饰演林咏梅导演赵广斌主演高鑫、王奎荣
大道如天2006饰演姗姗导演宋江波主演张瑜、郑晓宁、董勇
走向太阳2002饰演小豆子导演宋江波主演吴军、伊春德、张晶晶
小猪佩奇过大年2019-2-5饰演猪妈妈导演张大鹏主演朱亚文
2008年5月18日，策划艺术品赈灾募捐拍卖会，筹集善款15万元；22日，参加绿丝带行动，身系绿丝带录制赈灾公益歌曲《生命之眼》。2009年12月18日，参加“嫣然天使基金慈善晚宴”。
2011年1月25日，参加“2011爱与未来北京慈善之夜”公益慈善晚宴，并获封“慈善爱心大使”称号；10月，拍摄《时尚健康》2011年度粉红特刊，并被授予“粉红大使”的称号，同时出席了“年度粉红丝带盛典”；11月16日，出席“JAVECE2011臻致-关爱”慈善晚宴。
2012年11月22日，出席“金太阳温暖之夜”慈善盛典。2013年1月3日，参加成龙慈善基金会公益活动。2015年，作为爱心大使参加了“暖流计划”志愿者主办的以“温暖童行”为主题的慈善活动。
2016年10月17日，被中华少年儿童慈善救助基金会任命为“微笑‘童’行”大使；11月，作为“暖流计划”爱心大使赴湖北省蕲春县慰问当地温泉小学的留守儿童。2017年3月，参加由中国儿童少年基金会发起并组织实施的“春蕾计划”。
刘芸不仅外形出众、天姿过人，更是拥有扎实的舞蹈功底，主演的电视剧也给观众留下了深刻的印象，而在电影《走向太阳》之中刘芸更是凭借丰厚的文化底蕴在其中一鸣惊人。她甜美性感，不仅是诸多时尚杂志封面上的宠儿，也是众多女孩纷纷效仿的可爱偶像，清秀亮丽的外形，加上百变多面的灵动气质，仿佛具有无穷潜力和可塑性，令人充满无限遐想。（新浪评）
刘芸是一名实力派演员，不断颠覆自我形象、挑战演技突破，堪称内地百变小花旦。在都市女性情感剧《女人帮·妞儿》中出演的金钱至上的拜金女沙晶给众多观众留下了深刻的印象，在《风和日丽》中饰演的“白富美”米艳艳一角又以甜美的扮相、优雅的气质、为爱执着的性格备受观众喜爱，不仅突破了自我，也让观众看到了另一面的刘芸，堪称演技的又一次爆发，也得到了观众及专业人士的一致好评。（腾讯、网易评）
