2005年，刘恩佑首次触电，参演了张进战执导的军旅剧《大校的女儿》，从而正式进入演艺圈。

2006年，主演刘浩执导的剧情电影《底下》，在片中担纲男主角，饰演在艺术院校学习表演的学生贾豪，这是他的首部电影作品。

2007年，与金莎、杨贵媚、杨烁合作主演青春励志情感剧《幸福的眼泪》，在剧中饰演性格傲慢孤僻的男主角顾亦航。

2008年，出演成泰燊、袁弘、王洛勇主演的古装剧《天地民心》，在剧中饰演祁家最小的儿子祈元白，与吕丽萍饰演一对母子；同年，推出个人单曲《可不可以不爱你》；此外，他还参演了古装历史剧《春秋淹城》。

2009年，与霍思燕、李晨联袂主演都市情感剧《孽缘》，在剧中饰演事业有成的男二号郭浩东；同年，与贾静雯、吴秀波、韩青合作出演家庭情感剧《大爱无敌》，在剧中饰演男主角谢永康的弟弟谢永健，与吴秀波饰演一对兄弟；此外，他还担任了金莎《这种爱》MV的男主角。

2011年5月3日，与姚芊羽、陈昭荣、陈莎莉联袂主演的年代情感剧《兰花香》上星播出，在剧中饰演痴心、执着的富家公子汤君竹同年，与夏侯琪誉搭档主演爱情电影《婚礼告急》，在片中饰演男主角袁烁；此外，他还与苗圃、斯琴高娃、罗晋合作出演了古装传奇剧《穆桂英挂帅》，在剧中饰演八贤王之子赵飞。

2012年，与莫小棋、巩新亮、谭卓合作出演都市爱情电影《擒爱记》，在片中饰演帅气多金、事业有成的黄金单身汉明远（Eric）；同年，与叶璇、莫小棋、李蓓蕾、巫迪文领衔主演年代情感剧《青春烈火》（原名《雅典娜女神》），在剧中饰演外表放荡不羁、内心正义凛然的纳兰东；6月15日，其主演的爱情悬疑电影《蓝调海之恋》上映12月17日，其出演的古装言情剧《美人无泪》在江苏卫视首播，在剧中饰演女主角大玉儿的兄长吴克善，与袁姗姗饰演一对兄妹。

2013年，与韩雪、王琳、叶童、陈翔联合主演年代悬疑爱情剧《淑女之家》，在剧中饰演有洁癖的报社编辑简东平；7月4日，其出演的古装剧《精忠岳飞》上星播出，在剧中饰演武艺高强的“小柴王”柴桂；11月18日，与周知搭档主演的抗战剧《尖锋》首播，在剧中饰演帅气英武、极具智慧的“天狼星行动队”教官廖武。

2014年，与郑亦桐搭档主演战争剧《擒蛇》，在剧中担纲男主角，饰演军分区独立营长乔山虎同年，与王志文、朱丹、陈好合作主演都市家庭轻喜剧《待嫁老爸》，在剧中饰演帅气多金、心地善良的黄凯迪 ；之后，与吕一、林伊婷、何明翰联袂主演抗战剧《刀光枪影》（原名《大道天行》），在剧中饰演身怀绝技的男主角高天行。

2015年，与林申、陈思斯合作主演都市情感剧《亲密搭档》，在剧中饰演乔天宇的保镖兼保姆马勇，并挑战了男扮女装的戏份 ；同年，与张雯、李雅男、贾雨萌领衔主演民国情感剧《烟花易冷》，在剧中饰演男主角易思文；之后，与何晟铭、娄艺潇合作主演年代情感剧《忘情歌》，在剧中饰演玩世不恭的男主角高文中。

2016年1月8日，其主演的民国悬疑轻喜剧《煮妇神探》在浙江卫视首播，在剧中饰演严肃冷漠、能力超群的巡捕房探长张正；同年，与战菁一、高叶、刘波合作主演抗战剧《李三枪》，在剧中饰演心思缜密且风流倜傥的男主角李三枪；之后，出演查尔斯·马丁执导的动作电影《极智追击》。

2017年，与乔乔、魏震、梅俪儿合作主演年代传奇剧《好汉》，在剧中担纲男主角，饰演因遭遇灭门悲剧而投身革命的钱府大少爷钱泽华。

2018年5月28日，美食题材的青春励志剧《像我们一样年轻》登陆湖南卫视，刘恩佑饰演高雅身边最得力的助手韩木。