刘威葳出生于哈尔滨，父亲是舞蹈演员，却反对女儿学习舞蹈，父亲深谙舞者的辛劳与无奈，希望女儿从小就能接受正统的学校教育；6岁那年，她遇见了黑龙江电视台小天鹅艺术团的老师，从此走上艺术的道路。
高二时，她除了是学生，还担任电视节目主持人，此时被导演李文岐发掘，因此在李导的《黑土》中第一次“触电”；后来她走进了中戏的表演系考场，但在“一试”中就被淘汰，这时正好赶上北京电影学院招生考试，她顺利通过，进入北京电影学院表演系[4-5] 。
2000年，沉寂的她开始重新接戏，出演了高群书执导的犯罪悬疑电视剧《命案十三宗》[4-5] 。
2003年，与孙红雷等人合作出演了高群书执导的犯罪电视剧《征服》，饰演李梅，在剧中是一个对孙红雷爱得死去活来，为了他不惜抛弃一切亡命天涯的女孩，因此被观众熟知，之后片约接踵而来 。
2005年，出演了情感生活剧《决不饶恕》，饰演楚洁 ；随后出演了反特悬疑剧《古城谍影》，饰演经历复杂的“女特务”骆春忆 ；还出演了都市悬疑剧《撕开你的伤口》，饰演活泼大方而又神秘莫测的心理医生 。
2006年，被导演王小帅选为电影《左右》的女主角，饰演拯救孩子生命的母亲枚竹，是一个内心十分矛盾的角色 ，该片是她演艺生涯的第一部真正意义的大银幕作品。
2008年，她凭借电影《左右》入围第58届柏林电影节主竞赛单元，首次走上柏林红毯 ；还在犯罪剧《正义永恒》中饰演年轻漂亮的电脑工程师文丽 。
2009年，加盟抗战剧《我的团长我的团》，饰演女主角上官戒慈，是一个外表端庄柔弱内心刚强的缅甸华侨，在剧中与迷龙、龙文章产生过感情 ；随后再次与张国强搭档出演年代剧《大掌柜》，扮演一位知书达礼，大胆努力追寻爱情的满清格格陆璎 ；还在谍战电影《风声》中饰演了女特工 。
2012年3月，主演年代商战剧《向东是大海》，扮演传奇女人董芝霞，从富家千金、革命党人成为茶场主人，银行经理 ；8月，出演家庭情感剧《大家庭》，饰演命途多舛的陈涵秋 ；12月30日，出演贺岁电影《双人床条约》，饰演母亲丁雪莉，为了不伤害孩子而选择与前夫离婚后仍“潜伏”生活在一起 。
2013年8月，与濮存昕、张国强共同出演改编自同名小说的电视剧《推拿》，饰演盲人按摩师孔佳玉 ，凭借该角色获得第二届中国电视剧导演工作委员会年度表彰盛典优秀女主角 ；9月，在年代情感剧《遥远的婚约》中饰演文艺知青乔慧敏 。
2014年10月，参与拍摄的谍战电视剧《刀尖上的搏杀》杀青 ；12月，主演家庭情感剧《坐88路车回家》，饰演小学副校长高山，在因缘巧合下与黄元帅结成欢喜冤家，高冷寂的外表下隐藏着真善美 ；同年，参演献礼抗日战争胜利70周年电视连续剧《吉鸿昌》 。
2015年5月5日，她主演的家庭情感剧《坐88路车回家》在山东卫视、辽宁卫视上星播出 ；还主演了年代情感剧《一马换三羊》，变身女屠夫沈小红，隐忍善良、刀子嘴豆腐心的女人 ；7月4日，主演的抗战剧《东北抗日联军》在央视一套播出，与王洛勇、成泰燊等人合作，在剧中演绎“抗联之母”赵一曼一角，为国家奉献一生的抗日女英雄 。
2017年1月29日，刘威葳参与演出的古装电视剧《大唐荣耀》播出。她在剧中饰演唐肃宗李亨之妻——母仪天下善于计谋的张皇后一角 。同年8月1日，刘威葳主演的献礼建军90周年电视剧《黑土热血》播出，她在剧中饰演中共高级干部肖曼 。同年10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演朱惠儿 。
2018年，参演年代情感大剧《我的小姨》 。2019年，参演热血竞技偶像剧《追球》，饰演齐景浩的母亲林语蓉 。同年在电视剧《逆流而上的你》中饰演高红旗一角。 2020年9月17日，出演的首部抗疫题材电视系列剧《最美逆行者》在央视综合频道播出 。
2021年9月9日，参演的电视剧《双探》播出 ；11月16日，其主演的电视剧《不惑之旅》在浙江卫视播出 。
2014年2月28日，刘威葳与圈外男友在南澳PortWillunga海滩举行了浪漫海边婚礼，到场嘉宾只有双方亲友，并无圈内人士出席 。
2007年12月10日，刘威葳出席了由中国扶贫基金会与央视电影频道举办的2007光影星播客温暖基金扶贫慈善夜大型公益晚会 。
2013年9月12日，刘威葳与众多明星出席了2013搜狐财智中国峰会公益盛典，号召企业家们募集善款，为先天性心脏病患儿奉献爱心 。
2015年12月23日，作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
她的演技无须质疑，在她身上充分体现了中国女演员蕴藏的力量与潜力，这朵正盛开的东方百合将继续绽放（第58届柏林电影节主席迪特尔·科斯里克） 。刘威葳是继张曼玉之后，又一个具有东方典雅气质的中国女演员（搜狐网、西方媒体评） 。
刘威葳身上的确有一种与众不同的沉静美，这种东方女性的美不靠暴露的性感和夸张的表现一样可以慑人，让人难忘的是在《征服》中她的压抑沉静与孙红雷的乖张霸道相映成趣 。她是适合诠释调子浅浅涵义深刻电影的文艺女性，她的表演总是能够如钻石一般熠熠生辉（新浪娱乐评） 。
在国内演艺圈众多风姿绰约的女明星中，她不是最美艳、最妖娆的那个，但却能凭温婉优雅的气质独树一帜，其传神、恰如其分的演绎能立马把人们带入专属于她的影像世界（搜狐网评） 。自《征服》回归演艺圈之后，她很好地诠释了各类型角色，塑造了李梅、枚竹、上官戒慈、沈随心、李宁玉等不少荧幕经典形象（腾讯网评） 。
