刘心悠于1981年4月1日在中国台湾新北市出生，并在台湾度过了她的童年与少年时光。在她十四岁那年，刘心悠远赴加拿大继续求学。由于母亲长期从事卡通漫画相关的工作，刘心悠自幼便受到母亲职业的熏陶，对绘画产生了浓厚的兴趣，并逐渐树立起成为一名职业漫画家的个人理想。基于这一艺术追求，她选择进入加拿大的Emily Carr艺术设计学院，攻读设计相关专业，系统地学习艺术创作与设计理论。 2004年，刘心悠在一次公开选拔中展现了出众的气质与潜力，从超过四千名竞争者中成功胜出，获选担任“中华航空”全新广告的女主角，这标志着她首次在公众视野中崭露头角。次年，即2005年，刘心悠返回台湾探望父母。在此期间，她陪同友人参加了《阿嫂传奇》剧组的演员面试，意外地凭借自身条件通过了考核，获得了出演机会。面对这个突如其来的演艺机遇，刘心悠经过慎重考虑，最终决定暂时搁置在加拿大的未竟学业，正式投身于影视演艺行业，开启了她的职业演艺生涯。
二零零五年，刘心悠与曾志伟、任达华共同参演了动作电影《阿嫂传奇》，她在片中诠释了身世坎坷却始终乐观向上的女孩菲比一角。正是凭借这一深入人心的角色，她成功获得了二零零六年香港电影金像奖最佳新演员奖的提名。次年，恐怖电影《黑夜》正式上映，该片结构独特，由《鬼邻》、《凶洞》及《亡记》三个独立短片共同构成；刘心悠在《鬼邻》这个段落中饰演了名为怡珍的人物。在拍摄一场需要激烈情绪爆发的戏份时，剧情要求她持续大声喊叫，为了达到最真实的效果，她反复尝试、全情投入，甚至因过度沉浸在角色情绪中而在片场失声痛哭，其专业态度令人印象深刻。二零零七年，她与郭涛、黄渤联袂出演喜剧片《大电影2.0之两个傻瓜的荒唐事》，扮演了文耀（郭涛饰）的妻子小鱼这一角色；同一年，她又与任达华、张家辉合作了电影《出埃及记》，在剧中化身为专以男性为目标的女主角张芳，这部影片因其独特的风格与主题，成功入围了第五十五届圣塞巴斯蒂安国际电影节的主竞赛单元。此后，刘心悠与余文乐携手拍摄了《军鸡》，她在片中大胆突破，饰演了命运多舛的妓女小惠，该作品亦获得了当年法国多维尔电影节的青睐并入围展映。二零零八年九月，电视剧《幸福的味道》与观众见面，刘心悠在剧中塑造了事业繁忙的都市职业女性林美兰的形象。剧中她需要与日本人气偶像成宫宽贵演绎大量对手戏，为此在开拍前整整一周，她便开始潜心准备和练习日语对白，以确保表演的流畅与自然；同年十二月，她又在电视剧《幸福的抉择》中担纲主演，饰演了一位充满才华与梦想的婚纱设计师夏亦心，这也是她演艺生涯中首次尝试出演现代背景的爱情题材剧集。二零一零年，她在电影《鱼狗》中接受了新的挑战，饰演了一位因未婚先孕而面临人生转折的少女陈小幸。到了二零一一年，刘心悠首次涉足舞台剧领域，在作品《直子小姐》中饰演了周旋于丈夫与情人之间、内心充满矛盾与挣扎的女主人公直子，展现了她在不同表演媒介上的可塑性。
二零一一年，演员刘心悠与刘诗诗、吴奇隆、郑嘉颖、林更新等众多艺人共同出演了古装穿越题材电视剧《步步惊心》。该剧于湖南卫视进行首次播出，刘心悠在剧中诠释了马尔泰·若兰这一角色，其温婉沉静的形象赢得了观众的广泛注意，这也是她演艺生涯中首次涉足古装剧领域。同年，一部由方文山、九把刀等人联合执导的四段式爱情电影《爱到底》正式公映，刘心悠在影片的第二段落《华山·24》里担任女主角，出演一位名为心悠的解说员。随后在九月，她又一次与刘诗诗、吴奇隆合作，参演的电影《梦回鹿鼎记》登陆院线，她在片中扮演了性格鲜明、任性娇蛮的建宁公主。这部作品因其故事背景与人物关联，被许多观众视作“《步步惊心》的前传”，在网络平台首播后收获了如潮的积极评价。无论是外柔内刚、善良体贴的若兰，还是骄纵率性、敢爱敢恨的建宁公主，刘心悠始终致力于向观众呈现每一个接近完满的戏剧人物，并透过这些角色不断证明自己在表演上的可塑性与专业实力。二零一二年十一月九日，刘心悠与张智霖联袂主演的爱情电影《天生爱情狂》上映，该片在首周便取得五百六十万元票房成绩，成为当年光棍节档期内票房表现最为突出的爱情影片。二零一三年八月，刘心悠出演电视剧《唐宫燕》，饰演工于心计的出芙一角，其首次挑战此类复杂反派形象令观众倍感期待；紧接着在九月，她主演的都市青春喜剧电影《4B青年之4楼B座》于中国大陆地区公映。二零一四年一月，神话单元剧《土地公土地婆》在深圳卫视首播，刘心悠在剧集的第三单元《美人照镜》中饰演朱慰慈；这是在《唐宫燕》之后她再度参与古装剧的拍摄，刘心悠坦言此次是抱着学习与积累的心态投入创作。同年四月，《步步惊心》的续集作品《步步惊情》于浙江卫视开播，她在剧中一人分饰两角，分别演绎了马伊诺以及整容变身之后的蓝兰；七月，她主演了由张家辉首次执导的灵异题材电影《盂兰神功》，首次尝试扮演神功戏花旦的刘心悠，其表演被评论认为展现了不错的表演天分；十二月二十三日，她与吴奇隆以互赠“唇印合约”这一颇具创意的方式，正式宣布签约加入吴奇隆工作室，开启了事业上的新阶段。
二零一六年，演员刘心悠再度与周柏豪携手合作，共同主演了轻松诙谐的爱情喜剧作品《我的老婆是明星》，她在片中出色地塑造了“当红明星”朱淇这一角色，给观众留下了深刻印象；同年，她还受邀参演了由著名导演陈果执导、张晋领衔主演的电影《九龙不败》，在片中诠释了一位专业而细腻的女中医形象。进入二零一七年十一月，刘心悠在电视剧《守护神之保险调查》中凭借精湛的演技，将角色杜心茹复杂而立体的人物性格层次分明地呈现出来，这一表现赢得了观众与评论界的广泛赞誉。二零一八年五月二十一日，由刘心悠担纲主演的古装剧集《宫心计》的续篇《宫心计2：深宫计》正式与观众见面，她所饰演的元玥一角灵动鲜活，值得注意的是，这也是她演艺生涯中首次参与香港无线电视台（TVB）剧集的拍摄工作；同年，她还加盟了由尔冬升监制、冯志强执导、古天乐主演的电影《犯罪现场》，在片中扮演一位学识渊博的雀鸟专家，展现了其角色塑造的多样性。时间来到二零二零年，刘心悠首度与知名艺人黄子华合作主演的电影《乜代宗师 》登陆院线，为了精准贴合剧中陈真这一角色对身手的要求，刘心悠提前半年便开始投入高强度的武术训练，其敬业精神可见一斑。紧接着在二零二一年五月四日，一部以“救助电影业基层工作者”为初衷而发起的公益电影《总是有爱在隔离》上映，刘心悠出于对行业的支持与关怀，毅然决定零片酬出演此片；同年五月十三日，由她主演的聚焦都市女性自我成长的电视剧《生活家》于中央电视台八套黄金时段播出，她在剧中成功塑造了会计师事务所合伙人程帆扬这一独立而专业的现代女性形象。这部剧集因其贴近现实的剧情与深刻的情感刻画，持续引发广大观众的热烈讨论与共鸣，屡次登上各大社交平台的热搜榜单，更被众多网友称赞为“最懂生活、最接地气的电视剧”。对于刘心悠等主要演员的倾情演绎，该剧制片人阙志晟在采访中特别表示，此次选角工作完全是从如何最大程度地还原剧本精髓、呈现剧本深意的角度出发，演员们的出色表现对于整部剧作品质的提升与最终完成度的完善，都起到了非常关键且积极的推动作用。同年八月五日，她与吴卓羲联袂主演的电影《女人街，再见了》在中国香港地区上映，刘心悠在片中挑战自我，饰演了一位坚韧而朴实的货车司机珮怡。二零二二年五月三十日，刘心悠参演的电视剧《冥冥之中》如期播出，她在剧中饰演了名为心儿的角色；随后在同年七月二十三日，她参与演出的另一部电视剧《狮子山下》也正式开播，进一步丰富了其表演履历。展望未来，根据已公布的信息，刘心悠参演的电影《驱魔龙族马小玲》预计将于二零二五年十二月十一日上线，而另一部由其出演的电影作品《棋拳风暴》则定档于同年十一月十三日上映，令人期待她在这些新作中带来更多精彩的表演。
根据香港媒体在2023年1月13日发布的相关报道，演员刘心悠被指已于2022年12月末与一位圈外男友低调完成了结婚仪式。该消息一经披露便迅速引发了公众与媒体的广泛关注。面对外界不断涌现的询问与猜测，刘心悠本人随后通过适当的渠道对外界予以了回应，并大方地承认了自己已经结婚的事实，从而证实了此前媒体的相关传闻。
她绝非外界所简单定义的那种娇滴滴的“BB女星”，恰恰相反，她对于自己的人生道路与演艺事业始终怀抱着一份清晰而坚定的规划。刘心悠身上鲜明地体现了白羊座女孩最为典型的个性特质：她总是显得活泼开朗，待人接物充满了热情，言行举止更是坦率直接，毫不矫饰。对于广大观众而言，许多人正是通过观赏《步步惊心》这部作品，才开始真正注意到并喜爱上刘心悠的。她在剧中将若兰这位为情所困、深情不渝的古典美人刻画得入木三分，无论是细微的蹙眉神情，还是动人的嫣然一笑，都极具感染力，牢牢牵动着观众的心弦。此外，凭借其早年从事模特职业所积累的专业素养，她的体态与身形也一直保持着极为出众的标准与优雅。