2004年出演第一部电视剧《非常女生》饰演严如云一角；2010年出演悬疑电影《不要和他约会》，饰演女一号苏真，这是刘庭羽第一次担任电影女主角；同年出演《天下掉下个林妹妹》，饰演林靖 一角，并凭借该片获得第十届长春国际电影节最佳新人奖。 2011年出演古装宫廷言情剧《好女春华》，与安以轩、何赛飞、冯绍峰等合作，饰演柏含香；并和钟欣桐、蒲巴甲、郭珍霓等主演由民间故事改编的古装神话剧《女娲传说之灵珠》饰演腾蛇和魔音。 2012年刘庭羽出演了古装宫廷剧《深宫谍影》出演反派太子妃，与李承铉、刘心悠主演的古装电视剧《唐宫燕》播出，刘庭羽担任女一号孟凡。 2013年出演了古装传奇剧《金钗谍影》、神话剧《新济公活佛》和武侠剧《古剑奇谭》，分别饰演果馨、芷兰和女娲并在张继龙执导的电影《血彩》中饰演女一号晗玥。 2016年，主演神游系列电影《暖男之神游上海滩》 。