2003年，劉威葳與孫紅雷共同主演犯罪電視劇《征服》，因飾演李梅而被觀眾熟知;2007年，出演家庭情感劇《又見(jiàn)一簾幽夢(mèng)》;2008年，主演首部大銀幕作品，在王小帥執(zhí)導(dǎo)的電影《左右》飾演枚竹，憑借該片入圍柏林電影節(jié) ;2009年，在抗戰(zhàn)劇《我的團(tuán)長(zhǎng)我的團(tuán)》中飾演女主角上官戒慈;2010年，出演電視劇《風(fēng)聲傳奇》;2012年，主演年代商戰(zhàn)劇《向東是大海》，獲得華鼎獎(jiǎng)中國(guó)傳奇題材電視劇最佳女演員。

2015年，主演家庭情感劇《坐88路車(chē)回家》;同年，在抗戰(zhàn)劇《東北抗日聯(lián)軍》中飾演趙一曼。2016年，主演情感劇《遙遠(yuǎn)的婚約》。2022年1月19日，主演的電影《刺猬》殺青。

2022年4月10日，參演的家庭生活劇《親愛(ài)的小孩》播出，在劇中飾演謝丹 。5月19日，劉威葳特別出演的刑偵懸疑題材網(wǎng)絡(luò)劇《黑白密碼》正式官宣。5月28日，參演的電視劇《警察榮譽(yù)》播出，劉威葳在劇中飾演吳大夫;11月27日，特別出演的時(shí)代群像闖劇《風(fēng)吹半夏》播出 。

2023年5月3日，參演的電視劇《平凡之路》定檔播出。 5月，領(lǐng)銜主演電影《歲歲平安》殺青 。5月，出演電視劇《北上》。8月14日，特別出演的電視劇《一路朝陽(yáng)》播出。11月16日，參演的電視劇《黑白密碼》播出。