童年时，牛莉身体不好，挑食偏食。妈妈一狠心：好身体不是吃出来的，是练出来的，于是给女儿脖子上挂张月票，让她每日坐车去学游泳。在水里，牛莉既没速度，也没力度，但她一直坚持着。恰巧，北京花样游泳队新组建，来游泳班挑队员。教练看她虽不是游泳的料，但身材不错，天生丽质，就让她去改学花游。于是，牛莉成了北京第一批的花泳队员，每日里撕腿、抻腰、拿大顶，把她累得够呛，但她荣获了全国第一届女子花游的团体冠军。一年之后，为了考个好中学，牛莉退出了花泳队。 

妈妈曾是女子步枪运动员，入选过国家队，在北京队当过射击教练。牛莉上初中的一个暑假，妈妈联系好了射击队一个教练，让牛莉去学枪。 射击队的教练一脸正气：“是块料，我才要呢。先做测试题看看！”牛莉心想：“牛什么，我还不想来呢！”于是满不在乎地答了填了许多心理测试表。记得当时教练把她眼睛蒙住，让她拿着一支笔，带她“走”了一遍桌上的“迷宫”。几分钟后再让她独自走。谁知牛莉天性聪明，凭着感觉，没费吹灰之力就完成了。测试结果：牛莉属亚灵活型，很适合搞手枪运动。就这样，从水中爬出来没多久，牛莉又举起了手枪，高兴得妈妈以后改当了手枪裁判 做梦般走上领奖台 。射击 运动劳力更劳心。牛莉十分用心，成绩突飞猛进。习枪不足六个月，她就拿了北京青少年手枪比赛的冠军，后来进了广州军区队。入队不久，牛莉就改练五四式军用手枪。那枪抖动幅度大，子弹也很重。牛莉要强，每日里穿着迷彩服，站在荒野上举枪苦练，人晒得如同“黑鸭子”。不到一年，牛莉参加了全军比赛，50米靶30发子弹慢射，她打了280多环，不仅夺得冠军，还立了功，入了党。 

射击是个偶然性极大的项目，后果常常让人难想见。那年，牛莉参加中南地区的一次比赛。在本以为手拿把攥夺冠的强项——小口径手枪比赛上，她却连前三名都没进去。她难受之极，一夜未睡好。第二天的气手枪团体比赛是她的弱项，前两组打下来，牛莉的成绩一塌糊涂。教练火了：“你莫非真要拖全队的后腿怎么着？” 牛莉本来性子倔，这一激反倒使她彻底放开了，“爱怎么样就怎么样吧！”，她一声不吭，扭头举枪便射。没想到她的后两组的成绩直线上升。资格赛下来，她竟跃居第三名。决赛打10枪，75秒一击发，一发一报靶，紧张得令人窒息。9发出膛后，牛莉距第一名还差近一环。这是最后的75秒钟。牛莉举起枪，由于紧张，她的浑身止不住地在抖，不得不放下枪来。第二次举起枪时，她告诫自己：“这回必须扣了，否则时间不够了。连第二名都要飞了。”“吧”的一声，枪响了，她这一枪的弹着点，恰好骑在 10环线上，属赖10环。而对手由于压力过大，只打了8环。就这样，牛莉后来者居上，做梦般地站到了冠军奖台上。 

一个很偶然的机会，牛莉考上了解放军艺术学院，就这样踏入了演圈。自1993年以后牛莉已经拍摄了二三十部影视作品。

她演过多部戏，如《大贪官和珅》、《水浒》，牛莉都是以一个小配角的姿态出现的，就是这样一点点地磨练出自己的演技。

2002年，是牛莉多年努力后的一个丰收年，和张庭合作的《绝色双娇》让观众认识了她，和小陶虹合作的《空镜子》则征服了观众的心。

连牛莉自己也感惊奇的是，当她事业正旺，妈妈又把她从广州军区调到身边的北京军区时，后者的射击队解散了。牛莉来了个一百八十度大转弯，决定报考艺术院校。她先考了中央戏剧学院，结果初试时就被刷下来。牛莉的倔劲上来了：“我就不信我不是这块料。”她接着去考电影学院和解放军艺术学院。考试内容中有一项：表演一个小品。后被举荐到《空镜子》剧组，投入到《空镜子》的脚色中。在剧组，她与同样当过运动员的陶虹成了“姐妹”，演起戏来更是天然。《空镜子》播出后，引起很大反响。

2003年，参加央视春晚，搭档黄宏、沈畅出演了小品《足疗》。在陈家林执导的古装历史剧《江山风雨情》饰皇太极的庄妃孝庄文皇后。

2004年，与周杰合作主演反黑题材剧《非常道》，在剧中饰演刑警队骨干沈婷。

2005年，参加央视春晚，搭档郭冬临出演了小品《男子汉大丈夫》。

2006年，参加央视春晚，搭档冯巩、朱军出演了小品《跟着媳妇当保姆》。参演张新建 、孔笙联合执导的古装创业剧《闯关东》，在剧中饰演朱开山大儿子朱传文的媳妇那文，本是清朝皇族的格格，后因为家道中落流落到元宝镇和朱传文走到了一起。

2007年，参加央视春晚，搭档黄宏、雷恪生出演了小品《考验》。

2008年，与董勇合作主演杨竞泽执导的年代情感剧《祸福相依》，在剧中饰演司机黄涛的未婚妻胡玉华。

2009年，联合贾一平主演平民情感话题喜剧《完美婚礼》，在剧中饰演梦想成为一名优秀婚礼主持人的婚庆公司的职员田可馨。

2010年，与郭冬临合作表演的小品《一句话的事儿》获2010年虎年春节联欢晚会观众最喜爱的春晚节目小品类二等奖。12月，参演张国立自导自演的家庭伦理剧《养父》在沈阳广播电视台新闻频道首播。同年，出演高亚麟执导的情景喜剧《搞笑一家人》。同年，在情感伦理剧《满秋》中饰演小梅的亲生母亲吴媚。

2011年，与冯巩合作表演的相声剧《还钱》获得2011年兔年春节联欢晚会我最喜爱的春节晚会节目一等奖。之后，在史晨风执导的都市情感剧《幸福生活在招手》中饰演能干强势，刀子嘴豆腐心的周雨晴。同年，客串李欣凌执导的少儿家庭剧《蓝天花朵》。同年，主演钟少雄执导现代都市剧《房战》。

2012年，在宋海波、高希希联合执导的空军史诗战争剧《白云飘飘的年代》中饰演国民党起义英雄薛建生的妹妹，航校医院院长薛华北。之后，参演梦继执导的家庭轻喜剧《宝贝》。同年，在当代都市剧《媳妇的美好宣言》中饰演牙医余快的前妻华婷露。

2013年，3月领衔主演龚艺群执导的军旅情感剧《军婚》。同年，搭档林永健主演王小康执导的家庭伦理剧剧《新女婿时代》，凭借该剧获得首届央视中国电视剧年度明星盛典十佳演员称号。

2014年，加盟浙江卫视的喜剧选秀《中国喜剧星》担任导师。同年，与陈宝国、冯远征联袂主演张新建执导的农民史诗剧《老农民》，在剧中饰演坚强勇敢的老农民灯儿，凭借该剧获得第11届中美电影节最佳女主角奖。

2015年，领衔主演延庆执导的都市情感剧《麻辣芳邻》。12月23日，作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。

2016年6月，牛莉以出品方代表的身份参加电影《情追不舍》的发布会。12月15日，参演的电视剧《我的继父是偶像》开播。

2017年2月，与张嘉译合作的都市情感电视剧《美好生活》在美国开机；2018年1月，在北京卫视播出。

2017年11月9日，参演的长篇都市连续剧《新围城》在北京开机。

2018年6月8日，主演的爆笑动作喜剧电影《幸福马上来》上映。

2009年及2010年两年来，牛莉逐渐压缩了自己的演艺工作，一心把精力铺在家庭和孩子身上，牛莉一直非常回避，只希望还家人一个小小空间，让他们少几分烦扰，特别是牛莉的老公的身份，至今也是一个谜团，有消息说牛莉的老公是一位成功商人，坐拥上亿身价，且行事低调，虽是圈外人，但和娱乐圈内不少有头有脸的人物都相熟。据称，这个男士还曾离过婚，也许正是这份成熟稳重，让牛莉找到了幸福真爱。

2015年8月20日，牛莉更新微博，晒出一组自己与老公在夏威夷拍摄婚纱照的照片，她还附文写道“七夕节，我嫁了”似心情非常好。照片中，牛莉穿着雪白的婚纱和丈夫女儿一起拍摄婚纱照，一家三口显得十分温馨。

2016年5月2日，牛莉在微博晒出与家人一起庆祝44岁生日的照片。

央视虎年春晚后，小品《一句话的事儿》中牛莉穿的那件粉红色大衣在网上迅速走红，无数网友在网上讨论它，网友对这件衣服的关注让牛莉心生一计在博客中发布公告，要拍卖这件大衣，所得善款捐助给中国青少年发展基金会。

竞拍结束时间为2010年3月12日24时，起拍价为3000元人民币(粉红大衣原价27450元)，最低涨幅价500元。竞拍目的是为河北承德“牛莉希望小学”募集善款。

个性活泼开朗的牛莉，一直以出演性格鲜明，干练泼辣的现代女性为主。牛莉性情开朗，可她偏爱细腻的情感戏，渴望真诚待已待人。

记者在蓝天城偶遇牛莉，一身简单的服装，近似素颜的她难免给人不一样的感觉，银幕上的牛莉给大家的印象总是干练泼辣的现代女性，但是面前的她更多了女性的温柔，看似还有点憔悴。曾经一个很“牛”脾气的女明星，能迅速地转变得如此温柔，估计女儿的力量不能低估。她不像一个明星，而是一个平凡的女人，一个平凡的母亲。