劉泊霄出生于湖南省長(zhǎng)沙市，從小就開始學(xué)習(xí)舞蹈與武術(shù)。劉泊霄高中就讀于北京舞蹈學(xué)院附中，所學(xué)專業(yè)是古典舞。2001年，獲得“廣東省舞蹈大賽”十佳優(yōu)秀演員獎(jiǎng)、“第四屆舞蹈大賽”古典舞銀獎(jiǎng)。劉泊霄大學(xué)就讀于中央戲劇學(xué)院表演系，在校期間他不僅出演了學(xué)校組織的《風(fēng)雪夜歸人》、《少帥傳奇》等多部話劇，還出演了歌劇《野火春風(fēng)斗古城》、《萬(wàn)水千山情相連》。

2007年，出演范元執(zhí)導(dǎo)的都市情感劇《一路夫妻》，在劇中飾演董明，這是他的首部電視劇作品，從而正式進(jìn)入演藝圈。2008年，出演孫紅雷、姚晨、祖峰主演的諜戰(zhàn)劇《潛伏》，在劇中飾演吳敬中的秘書小吳。

2009年，與陳志朋、斕曦、解惠清合作主演古裝穿越電影《玉傾城》，在片中飾演為救男主角阿東而中箭犧牲的趙國(guó)護(hù)玉者韋鵬。

2010年，與王挺、張定涵、王偉光合作主演抗戰(zhàn)劇《斷箭》，在劇中飾演單純善良且談吐斯文的武朝元，從而獲得更多關(guān)注。

2011年1月，其主演的反轉(zhuǎn)推理系列劇《嫌疑人X》在江蘇衛(wèi)視播出，在劇中飾演男主角賴川，這是他首次在影視劇中擔(dān)綱男一號(hào)；同年，與賈青、郭家銘、張沛然合作主演抗戰(zhàn)劇《游擊兵工廠》，在劇中飾演陰險(xiǎn)狡詐的馬遠(yuǎn)圖。

2012年，與高云翔、呂夏、呂行合作主演抗戰(zhàn)劇《刀影》，在劇中飾演有著堅(jiān)定信仰和冷靜頭腦的國(guó)民黨特工張忠；同年，與嚴(yán)寬、白冰、富大龍合作主演古裝傳奇劇《隋唐演義》，在劇中飾演大太保羅方。

2013年，與張興哲、賈青、陳廷嘉合作主演抗戰(zhàn)劇《戰(zhàn)地獅吼》，在劇中飾演軍事素養(yǎng)和作戰(zhàn)能力都很強(qiáng)的特戰(zhàn)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)佐佐木。

2014年，與王雷、賈青、田家達(dá)合作主演抗戰(zhàn)劇《東江英雄劉黑仔》，在劇中飾演心狠手辣的日軍特工松本；同年，與高云翔、秋瓷炫、王鵬凱合作主演抗戰(zhàn)劇《最后一戰(zhàn)》，在劇中飾演國(guó)民黨第4方面軍倉(cāng)庫(kù)主任韓文虎；之后，與張嘉帥、王浩男合作主演根據(jù)寒北星同名小說(shuō)改編的劇情電影《生命的回聲》，在片中飾演男主角張境。

2015年，與林江國(guó)、溫崢嶸、李卓遠(yuǎn)合作主演抗戰(zhàn)劇《十個(gè)連長(zhǎng)一個(gè)班》，在劇中飾演外號(hào)“秀才”的五連連長(zhǎng)譚海明。

2016年，與張粟、范凌子、姬他合作主演革命戰(zhàn)爭(zhēng)劇《紅旗漫卷西風(fēng)》，在劇中飾演有情有義且有勇有謀的地下黨董��；同年，出演安戰(zhàn)軍執(zhí)導(dǎo)的革命戰(zhàn)爭(zhēng)電影《贛水蒼茫閩山紅》；11月16日，與張麗平、浚然、曲昱曈共同出演的驚悚懸疑電影《驅(qū)魔法典》上映。

2017年3月13日，與張?jiān)讫�、闞清子共同出演的青春劇《不一樣的美男子Ⅱ》播出，在劇中飾演身份神秘、并且擁有著終極超能力的大BOSS游達(dá)。2018年，與鄭凱、鄧莎、于榮光共同參演的年代諜戰(zhàn)劇《密查》播出。

2020年3月20日，參演的電視劇《鬢邊不是海棠紅》定檔在愛(ài)奇藝播出，在劇中飾演老葛。10月6日，參演的電視劇《明月曾照江東寒》定檔在愛(ài)奇藝播出，在劇中飾演顧岳。11月23日，參演的電視劇《今夕何夕》定檔在騰訊視頻播出，在劇中飾演明謙。

2016年12月21日，劉泊霄的兒子在長(zhǎng)沙誕生。

劉泊霄在電視劇《隋唐演義》中，一改往日在其它影視作品中的形象，其精彩而細(xì)膩的表演也讓觀眾看到了他不同的一面，使原著中本來(lái)不顯眼的羅方在劇中活靈活現(xiàn)，更使得羅方成為了該劇的一個(gè)亮點(diǎn)。劉泊霄身穿白襯衫、黑色休閑西褲，系著黑領(lǐng)帶，再搭配白色運(yùn)動(dòng)鞋，每個(gè)小細(xì)節(jié)都體現(xiàn)出了他的好品位，既干凈清爽又魅力十足，使他舉手投足之間都散發(fā)著成熟男人的風(fēng)度。而擁有剛毅外表的劉泊霄，在電視劇《紅旗漫卷西風(fēng)》中將錚錚鐵骨的軍人形象塑造的貼合度非常高，其精湛的演技也受到了觀眾的喜愛(ài)（搜狐評(píng)）。

無(wú)論是挺拔偉岸的英雄人物還是讓人恨的咬牙切齒的大反派，他都能對(duì)人物特點(diǎn)拿捏有度，演起來(lái)也游刃有余（騰訊評(píng)）。劉泊霄由于拍戲時(shí)很少NG，經(jīng)常一條就過(guò)，因此被稱作為“劉一條”。劉泊霄在多部影視劇中，憑借獨(dú)具特色的表演方式以及出眾的演技令不少觀眾都對(duì)他過(guò)目不忘。劉泊霄在電視劇《游擊兵工廠》中，憑借扎實(shí)的表演功底將角色的陰險(xiǎn)與狡詐演繹得淋漓盡致，眼神中更是流露出重重殺機(jī)（網(wǎng)易評(píng)）。