7岁时，还在上小学的刘芸被选进
体校，学习艺术体操，当时全校只选一个人。那时候训练很苦，每天出早操，绕着400米的跑道跑步。刘芸总是跑得最慢的一个，所以每天都要被罚加圈。不仅如此，连吃饭饮食都有着严格的规定。后来她和家里人商量了很久，最后还是决定把她领回家了。
11岁的时候，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。但之后，倔强的刘芸不甘愿一辈子给人伴舞，她希望考上大学。于是她辞去了别人眼中的“铁饭碗”，回到长沙埋头苦读了一年。2000年刘芸考入了中央戏剧学院。
2001年，刚刚成为一名大学生的刘芸便获得一次表演机会。虽说中央戏剧学院不准许大一学生拍戏，但刚巧有个角色适合她，导演又是老师的朋友。最终她获得了许可，出演了自己的第一部电视剧《命运的承诺》。
2002年，刘芸参演了由韩寒小说改编的同名电视剧《三重门》，饰演“
沈溪儿”一角。遗憾的是该剧由于没有掩盖原作的批判锋芒，被广播电视局所禁，直至2004年才登陆电视荧幕。同年，刘芸还参演了电视剧《我为歌狂》《新五女拜寿》以及自己的第一部电影《走向太阳》。
2003年，刘芸参演电视剧《大汉天子2》，饰演坚忍又不失可爱的“奇女子”秋婵。该剧的播出为她收获了不少的人气，开始被观众关注。
2005年刘芸又先后出演了《大汉巾帼》《红拂女》等电视剧。
2006年6月，张纪中版《鹿鼎记》开拍，刘芸被选中出演“小郡主”沐剑屏。金庸先生还亲自打电话给刘云，帮助她更深入的理解这个人物。《鹿鼎记》播出后，刘芸受到肯定。制片人张纪中赞刘云像“青苹果”，导演于敏也称：“刘芸的出场非常关键，《鹿鼎记》整个剧的调子就是根据她的出场来定的。”随着《鹿鼎记》在港台、日本等地区的走红，刘芸在香港、海外等地的人气也随之上升，香港地区的影迷昵称她为"内地版阿Sa“。
2013年，刘芸主演了电视剧《艾乐乐的罗曼蒂克》，同时还客串出演了《失恋33天》《小爸爸》《回到爱开始的地方》《硬汉奶爸》等多部影视剧。2014年，刘芸与蔡琳、高梓淇等联袂主演讲述方哈儿抗击日寇、保家卫国的电视剧《傻儿传奇》。
