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》。