刘冬沁在中学阶段于湖南省长沙市第一中学完成了他的学业。二零一二年，他积极参加了全国艺术类招生考试，凭借出色的表现取得了全国第七名的优异成绩，并顺利被上海戏剧学院录取，进入表演系进行专业学习。在上海戏剧学院求学期间，刘冬沁的潜力与才华被华谊兄弟经纪公司所关注，随后他正式与该公司签约，开始了其职业发展的道路。到了二零二一年，刘冬沁的演艺事业迎来了新的阶段，他选择与丝芭影视签署合约，进一步拓展了其在影视领域的合作与机会。
二零一五年七月，演员刘冬沁在都市情感题材电视剧《那年青春我们正好》中出演了角色高旗，作为男主角肖小军自幼相识的伙伴；同年十月，他又参演了由郭敬明同名小说改编而成的玄幻电视剧《幻城》，在其中饰演冰族属国熊族的王子辽溅，这一角色为了守护自己的君王与争取最终的胜利，毅然舍弃了身为战士的尊严，展现出舍生忘死的悲壮情怀。进入二零一六年，五月九日，刘冬沁出席了电视剧《那年青春我们正好》的相关发布会；随后在十月七日，由他主演的都市科幻题材网络剧《我不是妖怪》正式播出，他在剧中扮演狂族四大主帅之一的陈可破，这位角色拥有着难以被摧毁的不死之身，为剧情增添了强烈的戏剧张力。二零一七年一月二十八日，刘冬沁登上了以“欢动万家夜，爱暖中国心”为主题的北京电视台春节联欢晚会，并与李晨、杨旭文、梁译木等多位艺人共同献唱了歌曲《冲向巅峰》，为观众带来了精彩的表演。
二零一八年一月三十一日，一部以滑雪运动为背景的青春悬疑偶像剧《东山晴后雪》正式与观众见面，他在剧中饰演了滑雪教练韩东山一角，这位角色与由阳光善良的滑雪场VIP接待员赵晓晴所扮演的人物之间，共同卷入了一段融合了悬疑谜团、家族寻亲与过往复仇的复杂情感历程，两人从最初甜蜜的相遇到后续虐心的纠葛，演绎了一段起伏跌宕的爱情故事；同年三月二十九日，他主演的都市青春偶像剧《恋与偶像》登陆荧屏，在剧中他化身为街舞技艺高超、性格鲜明外放的队长赫连荣光，以其充满活力的表现吸引了众多目光；紧接着在六月十五日，由他领衔主演的悬疑刑侦题材网络剧《法医秦明2清道夫》上线播出，他在剧中饰演核心角色秦明，由此开启了一系列环环相扣、抽丝剥茧的探案历程。时间来到二零二零年十一月二十三日，他主演的另一部悬疑探案剧《心宅猎人》如期播出，此次他扮演的是留学归来的心理医生秦一恒，这个角色是一位学识渊博的学霸型人物，外表给人以高冷疏离之感，实则内心重情重义、颇具肝胆。进入二零二一年，其演艺事业持续拓展：九月十九日，由他担纲男主角的青春校园题材电影《我的青春有个你》在全国范围公映，他在片中生动塑造了邱飞这一形象；此外，他还参演了为献礼中国共产党成立一百周年而创作的历史剧情电影《1921》，并在片中饰演了历史人物施存统；同年六月十三日，他参与了电视剧《百炼成钢》的演出；七月十九日，其参演的都市情感剧《我是真的爱你》播出；至十一月二十六日，由他主演的都市爱情疗愈剧《爱很美味》与观众见面，他在剧中成功诠释了富二代宋超这一角色，进一步展现了其多样化的表演能力。
二零二二年一月十三日，其参演的一部以美食为题材的都市青春剧《舌尖上的心跳》正式与观众见面；随后在同年八月十七日，另一部由其参与的电视剧作品《二十不惑2》也顺利播映。进入二零二三年，其演艺活动更为活跃：四月十五日，参演的电影《爱很美味》登陆院线；六月一日，由其担纲主演的轻古风仙侠剧《花戎》开始播出，在剧中他成功塑造了魔族大尊慕南这一角色；十一月三日，其参与演出的《以爱为营》于芒果TV首播，并自十一月五日起登陆湖南卫视同步播出；紧接着在十一月六日，另一部有其参演的电视剧《乐游原》也如期与观众见面。二零二四年，其事业持续发展：五月十七日，由其主演的电影《江南：在爱开始的地方等你》在各大影院正式公映；八月二十二日，主演的电视剧《某某》播出；九月十五日，又一部由其主演的电影《江南：在爱开始的地方等你》上映。此外，在九月二十六日，他荣幸地被列入二零二四横店影视节暨第十届“文荣奖”青年演员扶持计划的首批名单之中，这标志着其表演潜力获得了业内的认可。二零二五年，其作品依然不断：四月十八日，参演的电视剧《成家》播出；八月十八日，另一部参演电视剧《子夜归》播出；九月八日，参演的聚焦金融反腐题材的微短剧《K线成长记》正式上线；十月九日，其出演的一部古装爱情剧《宴遇永安》也与广大观众见面。
刘冬沁不仅拥有阳光帅气的出众外表，在表演专业领域同样展现出极高的专注与投入。他俊朗的颜值与充满朝气的形象令人印象深刻；与此同时，他在演技方面也毫不松懈，不仅具备扎实而系统的表演功底，在对不同角色的深入塑造以及复杂情感层次的细腻把控上，亦形成了个人独到的理解与诠释方式。在电视剧《那年青春我们正好》的拍摄与呈现过程中，刘冬沁凭借其细致入微的角色刻画和富有感染力的情绪表达，贡献了许多值得称道的精彩片段，整体表现获得了观众与业内的广泛关注与认可。