刘园园从小喜欢艺术，4岁学钢琴，5岁开始上台表演。上小学时，恰逢内江电视台筹拍一部电视剧，需要两个小演员，导演到学校选角色，一眼就相中了刘园园，年纪小小的她首次涉足影视圈。

1991年底，年仅10岁的刘园园在父母的陪同下参加了中国人民解放军艺术学院的选拔考试，并通过初试。经过两天的突击训练，她顺利通过北京总复试，进入中国人民解放军艺术学院。1996年，她以优异成绩毕业，被分至中国人民解放军总政歌舞团，成为一名舞蹈演员。在此期间她多次参加了全国、全军重大文艺演出。

1997年，出演为纪念成都解放50周年拍摄的历史剧《府河人家》，自此开始演艺生涯。1999年，被张国立选中出演古装历史剧《康熙微服私访记3》，饰演剧中的丫环桐儿。2000年，参演古装喜剧《尚方宝剑》。

2001年，与焦恩俊、张延合作主演古装武侠剧《飞刀问情》，饰演娇美叛逆冷月宫少主江铃铃；10月，与冯远征合作主演家庭伦理剧《不要和陌生人说话》，凭借饰演的天真少女胡妮娜一角崭露头角。

2003年，出演古装历史剧《大唐歌飞》中的女主角牡丹公主，并与唐国强有一段对手戏。2004年，与何冰合作主演家庭伦理剧《兄弟如手足》，饰演性子刚烈的女孩柳莺莺。2005年，出演清装宫廷剧《少年康熙》，在剧中一人分饰冰月和桑榆两个角色。

2006年，主演国内首部综艺情景节日剧《恋爱真好》，饰演女一号邹静；同年，主演青春爱情偶像剧《美梦人生》，该剧也成为国内第一部成功出口日本的偶像剧。

2007年7月，与张卫健合作主演警匪喜剧《A计划》，饰演刁蛮任性却又敢爱敢恨的“海盗公主”古慈，并受到更多人关注；10月，又出演了剧情片《神枪手与智多星》饰演帅气的女杀手“一毛钱”。

2008年3月，出演民国情感家庭剧《胭脂雪》，饰演敢爱敢恨的青楼女子茹梦；8月，主演警匪剧《迅雷急先锋》，饰演为人干练刚毅特警队警犬基地训犬员白静；同年，与印小天合作主演农村励志题材剧《落泪成金》。

2009年，主演的考古悬疑剧《青铜匕首》在山东电视影视频道首播，她在剧中饰演内敛的大家闺秀云儿，与谷智鑫和于滨扮演的石家两兄弟有着剪不断理还乱的情感纠葛。

2010年，与周一围合作主演剧情片《盲人电影院》，首次在荧幕扮演一位盲女，并凭此获得第五届华语青年影像论坛新锐演员奖；同年，出演年代商业剧《大浴堂》，饰演出生名门的千金小姐曹蕊兰。

2011年2月，主演战争剧《海峡往事》，与尚于博上演了一段“跨国恋”；随后，与余少群合作主演情感悬疑剧《百花深处》，饰演命运悲苦的戏剧名伶婉菊。

2013年，出演舞台剧处女秀《恶棍天使》，并担纲女一号査小刀。2014年6月，客串演出爱情喜剧《分手大师》；7月，主演话剧《婚姻九天半》，饰演美貌却单身的女老板卢贝拉。10月28日，凭借电影《守边人》活儿第四届中澳国际电影节评委会特别表彰女演员奖。

2017年，与何冰、郝蕾合作主演电视剧《情满四合院》，饰演秦京茹。

2017年拍摄电影《守边人》，饰演女一号刘小好。

2018年4月电视剧《洪湖英雄传》，饰演女一号穆红菱。

2010年，刘园园和央视体育主播沙桐登记结婚。2013年10月19日，两人携2岁的女儿秋秋于北京举办了穆斯林风格式婚礼，沙桐在仪式上再次向其求婚。

2008年5.12汶川地震发生后，刘园园拍卖了个人心爱物品为灾区奉献爱心；6月8日，参加某明星义拍慈善活动，并再次拿出自己的珍贵物品为灾区筹集善款。

2009年，参加四川卫视和光线传媒联手打造的“5.12中国爱——中国骄子爱心行动”活动，并亲自前往四川当地重灾区，慰问受灾的群众。

刘园园外型娇小，大大的眼睛配上甜美的娃娃脸，显得特别清丽俏皮。除了外型，其温婉可人的气质也深入人心。（新浪娱乐评）

刘园园在荧屏上一直是清纯可人的温婉形象，出道多年来，她先后在《康熙微服私访记》、《玉碎》等影视剧中演绎了各种精彩的人物，并在角色塑造中不断突破自我，给观众留下了深刻的印象。从电视荧屏走向剧场后她更是变身“喜剧女王”，尽情释放“二”的姿态，由温婉的淑女转型为实力派喜剧演员。在年度喜剧《恶棍天使》中她精准的拿捏了人物特点，将查小刀的善良、怯弱又兼具向上力量的特质表现得淋漓尽致，广受观众好评。（新浪、腾讯、搜狐娱乐评）