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2002年制片人游建鳴在無意中看見了劉亦菲任形象代言的廣告，讓劉亦菲出演《金粉世家》中白秀珠一角而成名，劉亦菲正式進入娛樂圈。
2003年劉亦菲被制片人張紀中選中，出演2003年央視版《天龍八部》并飾演王語嫣，劉亦菲飾演的王語嫣一角，被冠以“神仙姐姐”的稱號。
2004年7月份劉亦菲與陳柏霖、五月天合作拍攝的電影《五月之戀》正式上映，這是劉亦菲進入電影圈的第一部作品；11月13日，劉亦菲再次與林志穎合作的作品，第二部愛情電影《戀愛大贏家》上映，該片由導演朱延平導演，劉亦菲飾演金巧莉。
2005年劉亦菲與胡歌、安以軒、劉品言等主演的第一部由游戲改編的古裝劇《仙劍奇俠傳》熱播，劉亦菲飾演女一號趙靈兒，劉亦菲把靈兒的癡情、天真、純潔、傷心和悲慘都演得活靈活現。
2006年劉亦菲又接演了張紀中的另一部古裝戲《神雕俠侶》，在劇中飾演女一號小龍女。5月份，劉亦菲簽約日本索尼音樂娛樂公司；9月5日，劉亦菲首張音樂專輯《劉亦菲》在內地、香港、日本發行。
2008年劉亦菲出演《功夫之王》的女一號金燕子，在這部影片中劉亦菲與兩大功夫巨星成龍、李連杰合作。5月份劉亦菲簽約了威廉·莫里斯公司。
2010年劉亦菲出演王力宏的導演處女作《戀愛通告》飾演女一號宋曉青。
2011年劉亦菲出演新版《倩女幽魂》；11月份，劉亦菲在電影《鴻門宴》中飾演烈女虞姬，與馮紹峰飾演的項羽為“霸王別姬”這段千古絕戀的愛情神話增添了完美的一筆。
2012年劉亦菲主演的武俠電影《四大名捕》和歷史電影《銅雀臺》先后上映。在陳嘉上導演的《四大名捕》中劉亦菲飾演無情一角；在《銅雀臺》中劉亦菲飾演為“刺曹”而生的殺手靈雎，此外劉亦菲還演唱了影片主題曲《等雪來》。
2013年9月，由著名武術指導尼克·鮑威爾執導，劉亦菲、海登·克里斯滕森、尼古拉斯·凱奇等聯合主演的愛情動作片《最后的戰爭》正式開機；12月6日，劉亦菲主演的3D電影《四大名捕2》全國熱映；12月23日，劉亦菲憑借《銅雀臺》獲得第五屆澳門國際電影節最佳女主角，這也是她電影生涯中第一個女主角獎。
2014年8月22日，劉亦菲主演的武俠《四大名捕大結局》上映，繼續出演女主角無情。11月7日，劉亦菲與鄭智薰主演了高希希執導的愛情電影《露水紅顏》，片中劉亦菲扮演一位沒落的貴族小姐“邢露”。
2015年，劉亦菲參演青春愛情電影《致青春2：原來你還在這里》，飾演蘇韻錦一角；6月16日，在古裝玄幻電影《三生三世十里桃花》中飾演女主角白淺；9月25日，其主演的愛情電影《第三種愛情》上映，內地票房約7300萬人民幣；10月15日，Dior舉辦新聞發布會并正式宣布：劉亦菲擔任Dior花蜜系列“全球首位大中華區形象大使”，劉亦菲完美詮釋了迪奧花蜜系列的核心價值：那就是不斷追求卓越，極富女性魅力，精致而優雅 ；11月7日，主演動作片《營救飛虎隊》，飾演女主角英；11月26日，《瑞麗 伊人風尚》12月月刊封面曝光 。
2016年5月11日，劉亦菲受Dior邀請，身著迪奧高級訂制禮裙出席第69屆戛納國際電影節紅毯 ；5月20日，劉亦菲主演的電影《夜孔雀》在全國上映，影片還入圍了第20屆釜山國際電影節“亞洲電影之窗”單元，劉亦菲在片中飾演法籍華裔留學生“埃爾莎” 。