劉園園從小喜歡藝術(shù)，4歲學(xué)鋼琴，5歲開(kāi)始上臺(tái)表演。上小學(xué)時(shí)，恰逢內(nèi)江電視臺(tái)籌拍一部電視劇，需要兩個(gè)小演員，導(dǎo)演到學(xué)校選角色，一眼就相中了劉園園，年紀(jì)小小的她首次涉足影視圈。

1991年底，年僅10歲的劉園園在父母的陪同下參加了中國(guó)人民解放軍藝術(shù)學(xué)院的選拔考試，并通過(guò)初試。經(jīng)過(guò)兩天的突擊訓(xùn)練，她順利通過(guò)北京總復(fù)試，進(jìn)入中國(guó)人民解放軍藝術(shù)學(xué)院。1996年，她以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)，被分至中國(guó)人民解放軍總政歌舞團(tuán)，成為一名舞蹈演員。在此期間她多次參加了全國(guó)、全軍重大文藝演出。

1997年，出演為紀(jì)念成都解放50周年拍攝的歷史劇《府河人家》，自此開(kāi)始演藝生涯。1999年，被張國(guó)立選中出演古裝歷史劇《康熙微服私訪記3》，飾演劇中的丫環(huán)桐兒。2000年，參演古裝喜劇《尚方寶劍》。

2001年，與焦恩俊、張延合作主演古裝武俠劇《飛刀問(wèn)情》，飾演嬌美叛逆冷月宮少主江鈴鈴；10月，與馮遠(yuǎn)征合作主演家庭倫理劇《不要和陌生人說(shuō)話》，憑借飾演的天真少女胡妮娜一角嶄露頭角。

2003年，出演古裝歷史劇《大唐歌飛》中的女主角牡丹公主，并與唐國(guó)強(qiáng)有一段對(duì)手戲。2004年，與何冰合作主演家庭倫理劇《兄弟如手足》，飾演性子剛烈的女孩柳鶯鶯。2005年，出演清裝宮廷劇《少年康熙》，在劇中一人分飾冰月和桑榆兩個(gè)角色。

2006年，主演國(guó)內(nèi)首部綜藝情景節(jié)日劇《戀愛(ài)真好》，飾演女一號(hào)鄒靜；同年，主演青春愛(ài)情偶像劇《美夢(mèng)人生》，該劇也成為國(guó)內(nèi)第一部成功出口日本的偶像劇。

2007年7月，與張衛(wèi)健合作主演警匪喜劇《A計(jì)劃》，飾演刁蠻任性卻又敢愛(ài)敢恨的“海盜公主”古慈，并受到更多人關(guān)注；10月，又出演了劇情片《神槍手與智多星》飾演帥氣的女殺手“一毛錢”。

2008年3月，出演民國(guó)情感家庭劇《胭脂雪》，飾演敢愛(ài)敢恨的青樓女子茹夢(mèng)；8月，主演警匪劇《迅雷急先鋒》，飾演為人干練剛毅特警隊(duì)警犬基地訓(xùn)犬員白靜；同年，與印小天合作主演農(nóng)村勵(lì)志題材劇《落淚成金》。

2009年，主演的考古懸疑劇《青銅匕首》在山東電視影視頻道首播，她在劇中飾演內(nèi)斂的大家閨秀云兒，與谷智鑫和于濱扮演的石家兩兄弟有著剪不斷理還亂的情感糾葛。

2010年，與周一圍合作主演劇情片《盲人電影院》，首次在熒幕扮演一位盲女，并憑此獲得第五屆華語(yǔ)青年影像論壇新銳演員獎(jiǎng)；同年，出演年代商業(yè)劇《大浴堂》，飾演出生名門的千金小姐曹蕊蘭。

2011年2月，主演戰(zhàn)爭(zhēng)劇《海峽往事》，與尚于博上演了一段“跨國(guó)戀”；隨后，與余少群合作主演情感懸疑劇《百花深處》，飾演命運(yùn)悲苦的戲劇名伶婉菊。

2013年，出演舞臺(tái)劇處女秀《惡棍天使》，并擔(dān)綱女一號(hào)査小刀。2014年6月，客串演出愛(ài)情喜劇《分手大師》；7月，主演話劇《婚姻九天半》，飾演美貌卻單身的女老板盧貝拉。10月28日，憑借電影《守邊人》活兒第四屆中澳國(guó)際電影節(jié)評(píng)委會(huì)特別表彰女演員獎(jiǎng)。

2017年，與何冰、郝蕾合作主演電視劇《情滿四合院》，飾演秦京茹。

2017年拍攝電影《守邊人》，飾演女一號(hào)劉小好。

2018年4月電視劇《洪湖英雄傳》，飾演女一號(hào)穆紅菱。

2010年，劉園園和央視體育主播沙桐登記結(jié)婚。2013年10月19日，兩人攜2歲的女兒秋秋于北京舉辦了穆斯林風(fēng)格式婚禮，沙桐在儀式上再次向其求婚。

2008年5.12汶川地震發(fā)生后，劉園園拍賣了個(gè)人心愛(ài)物品為災(zāi)區(qū)奉獻(xiàn)愛(ài)心；6月8日，參加某明星義拍慈善活動(dòng)，并再次拿出自己的珍貴物品為災(zāi)區(qū)籌集善款。

2009年，參加四川衛(wèi)視和光線傳媒聯(lián)手打造的“5.12中國(guó)愛(ài)——中國(guó)驕子愛(ài)心行動(dòng)”活動(dòng)，并親自前往四川當(dāng)?shù)刂貫?zāi)區(qū)，慰問(wèn)受災(zāi)的群眾。

劉園園外型嬌小，大大的眼睛配上甜美的娃娃臉，顯得特別清麗俏皮。除了外型，其溫婉可人的氣質(zhì)也深入人心。（新浪娛樂(lè)評(píng)）

劉園園在熒屏上一直是清純可人的溫婉形象，出道多年來(lái)，她先后在《康熙微服私訪記》、《玉碎》等影視劇中演繹了各種精彩的人物，并在角色塑造中不斷突破自我，給觀眾留下了深刻的印象。從電視熒屏走向劇場(chǎng)后她更是變身“喜劇女王”，盡情釋放“二”的姿態(tài)，由溫婉的淑女轉(zhuǎn)型為實(shí)力派喜劇演員。在年度喜劇《惡棍天使》中她精準(zhǔn)的拿捏了人物特點(diǎn)，將查小刀的善良、怯弱又兼具向上力量的特質(zhì)表現(xiàn)得淋漓盡致，廣受觀眾好評(píng)。（新浪、騰訊、搜狐娛樂(lè)評(píng)）