2001年，还在北京电影学院读大二的刘宇桥接拍了由黄晓明领衔主演的古装剧《大汉天子》，其在剧中饰演了飞将军李广的孙子、汉武帝的“结拜兄弟”李陵，而他也由此正式出道。2003年9月23日，刘宇桥与陈龙、戴娇倩等联袂主演的年代爱情剧《情断上海滩》在北京开机，他在剧中饰演了洁身自好、憨直爽朗又有着书卷气的正义巡捕白尘。
2004年6月16日，刘宇桥与马景涛、陈德容等联袂主演的秘史系列剧第三部《太祖秘史》在北京开机，他在剧中饰演了仇视努尔哈赤的叶赫二贝勒金台吉；11月22日，与胡兵、邬倩倩等联袂主演的科幻险情剧《非常24小时》在北京开机，在剧中饰演的是日本人秋山峻。
2005年10月4日，刘宇桥与曹骏、舒畅、焦恩俊等联袂主演的古装神话剧《宝莲灯》在中央电视台电视剧频道播出，他凭借剧中用情专一的东海龙宫八太子敖春一角获得更多关注；同年，获得年度影视十佳新星提名。
2006年2月16日，刘宇桥与金沛辰、石小群等联袂主演的都市爱情剧《白色情人梦》在辽宁综合频道播出，他在剧中饰演为了爱可以抛弃一切的摄影师杨仁杰；同年11月，因拍戏受伤已休息了半年的刘宇桥，在完全康复后继续拍摄古装剧《北魏冯太后》，他在剧中饰演北魏第四任皇帝—孝文帝拓跋宏，这是他第一次在影视作品中扮演皇帝。
2007年4月，刘宇桥与李雪健、潘虹等合作主演的近代剧《台湾1895》在福建开机，在剧中饰演清朝第十一位皇帝光绪帝，这是他第二次扮演皇帝。2008年3月30日，刘宇桥出演的武侠轻喜剧《龙虎山客栈》开机，他在剧中饰演文武双全、多才多艺的水泊梁山第三十六位“浪子”燕青。
2009年7月4日，刘宇桥与众多艺人联袂主演的古装剧《新水浒传》在江西龙虎山开机拍摄，他在剧中饰演出身底层蓄胡须操刀卖猪肉的草根英雄拼命三郎石秀；同年11月，领衔主演的商战剧《无量天》在青岛开机，他在剧中饰演年龄跨度长达三十年的陆遥远。
2010年7月25日，刘宇桥与舒畅、肖雨雨、程怡等联袂主演的古装传奇剧《刘三姐》在广西柳州市柳城县开机，他在剧中饰演对刘三姐一见倾心，后和三姐一起跳下悬崖的阿牛哥。
2012年10月7日，刘宇桥出演的纪实性革命剧《国家命运》在中央电视台一套黄金时段播出，他在剧中饰演核物理学家邓稼先。2013年4月3日，刘宇桥出演的古装偶像爱情剧《大汉情缘之云中歌》开机，他在剧中饰演城府颇深思想缜密的大内总管于安。
2016年2月18日，刘宇桥与张歆艺、袁弘等联袂主演的古装剧《解忧公主》在中央电视台电视剧频道播出，在剧中饰演汉朝武将淮天沙；随后，主演古装神话剧《修仙记之何仙姑传》，他在剧中饰演徐有为，与苗圃饰演的何仙姑有一段师徒情缘；6月7日，他与章贺、李曼等合作主演的抗战剧《铁血军魂》在陕西一套播出，在剧中饰演抗战爆发后投身战场的爱国人士刘瑾贤。
2018年1月19日，刘宇桥与王铭铎、穆婷婷等共同主演的抗战剧《孤战之生死营救》在横店举行开机仪式；1月30日，出演的古装仙侠剧《蜀山战纪2踏火行歌》首播，他在剧中饰演了因挚爱诸葛紫英之死，而对这个世界因爱生恨的反派人物张问天。
2019年1月28日，刘宇桥与白鹿、许凯等联袂主演的古装仙侠爱情剧《招摇》开播，在剧中饰演虽然修为高深，却假仁假义、道貌岸然的金仙洛明轩；2月15日，主演的都市浪漫爱情轻喜剧《我的奇妙男友2之恋恋不忘》在芒果TV播出，他在剧中饰演的是霸道总裁秋月白，也是基因突变者、S组织创始人。
2020年3月18日，刘宇桥与文熙、刘亦彤、罗家英等联袂主演的玄幻热血电影《蓝月》登陆腾讯视频播出，在片中饰演至尊王者战士长风；6月14日，参演的都市情感剧《我爱北京天安门》在上海东方影视频道播出。
2021年1月22日，刘宇桥与黄宗泽、阚清子等联袂主演的都市家庭情感喜剧《奶爸当家》在优酷视频播出，他在剧中饰演怂萌逃婚达人汪东阳；2月23日，出演的国安题材当代都市反谍剧《暴风眼》在东方卫视、浙江卫视、爱奇艺、腾讯视频同步播出，他在剧中饰演喻浩然。
