2000年，还在读大学的刘晓晔，出演张辉执导的古装喜剧《皇嫂田桂花》， 并在剧中饰演心狠手辣而后改邪归正的“女刺客”蓝小青，而这也是刘晓晔的首部影视剧作品。

2001年，出演谭锐铭执导的古装爱情剧《沧海游龙》，饰演木乌拉公主银狐；同年，领衔主演根据郑峰长篇小说《蓼花河》改编的年代抗战片《空山》。

2002年，在警匪悬疑剧《无怨无悔》中，饰演谷少刚的妻子商君茹；8月，与张庭、吴大维、牛莉合作出演的古装动作剧《皇后进宫》首播；同年，她还出演了宋学斌执导的警匪剧《无悔的忠诚》。

2003年，与张锦程、黄俊鹏、刘璇合作出演虎子执导的刑侦剧《终极目标》。2004年，出演高群书执导的警匪剧《反黑组》。2005年，在科幻警匪剧《AI特警队》中，饰演东方侦缉处的警员夏雪；同年，出演董亚春执导的革命战争剧《爱在战火纷飞时》，饰演张世杰青梅竹马的恋人杨紫云。

2006年，与聂远、孙海英、于震合作出演军旅题材剧《男人的天堂》。2007年，出演张绍林执导的都市爱情剧《女人本色》，饰演杜林的女友刘菁；同年，出演李小龙执导的军旅题材剧《那些迷人的往事》。

2008年6月，与殷桃、保剑锋、岳跃利合作出演白韬执导的年代家庭伦理剧《大珍珠》，饰演刘玉威的大嫂黄美龄。2009年，在张峰执导的都市爱情喜剧《丑女无敌》中，饰演敢说敢做、敢怒敢言的神秘阔太太苏蕾；此外，她还与杨幂、李东学、孙坚共同出演了民国爱情剧《刁蛮新娘》，饰演戴老爷的秘书刘小芳；12月22日，刘晓晔获得“生态中国·时尚盛典”风尚女演员奖。

2010年，与六小龄童、迟重瑞合作出演古装神话剧《吴承恩与西游记》，饰演沈坤的妻子苓珍。2011年，与李晟、海陆、张睿合作出演古装爱情剧《新还珠格格》，在剧中饰演温柔善良的令妃娘娘，她也因此受到关注。

2012年，出演了都市商战爱情剧《盛夏晚晴天》，饰演知性善良的时尚杂志社主编，这也是她第二次与杨幂合作；同年，出演陶明喜执导的都市爱情喜剧片《神马都是浮云》上映，饰演大骗子娇娇。

2013年3月，出演刘一志执导的都市情感剧《爱的契约》播出，饰演温柔痴情的女经理祁娜，她与涂松岩所扮演的周展名展开一段缠绵的爱恨情仇。2015年，主演青春校园网络剧《上瘾》，在剧中饰演顾海的后妈姜圆。

2016年，参加优酷视频原创网生喜剧节目《喜剧者联盟》的录制；5月，主演陈家俊执导的喜剧动作片《血战铜锣湾》上映；随后，搭档王印出演话剧《两只狗的生活意见》。

2017年，其出演的古装爱情玄幻剧《三生三世十里桃花》首播，在剧中饰演高贵端庄的乐胥娘娘，而这也是她与杨幂的第三次合作；3月，参加安徽卫视时尚美妆节目《美丽俏佳人》的录制。