1979年毕业于黑龙江省艺校，1982年2月调入长春电影制片厂演员剧团，2008年3月特招入伍调入八一电影制片厂演员剧团任演员。

1989年，在电影《开国大典》中出演“毛岸英”。

1995年，凭借《青铜狂魔》夺得第5届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖，和第17届长影小百花奖最佳男主角奖 。

1999年，参演电视剧《红岩》；在电视剧《曾国藩》里饰演“左宗棠”一角。

2000年，参演电影《黄埔军人》饰演蒋介石  。2001年，与茹萍主演《仗义执言》。

2005年，与茹萍主演由年迈的老母患痴呆症引发的儿女孝顺话题的亲情剧《守望幸福》，出演谢天书一角 。

2005年9月，参演都市情感剧《不能没有你》。

2006年，参演电视剧《雄关漫道》。

2007年，参演金韬执导电视剧《井冈山》出演瞿秋白。

2010年10月，主演的改编自小说《农民知己邓子恢》的电视剧《邓子恢》播出，剧中刘之冰饰演邓子恢一角。

2011年，参演电影《飞天》，获得第14届中国电影华表奖优秀男演员和第28届中国电影金鸡奖最佳男主角提名 。

2011年8月，参演《美丽的谎言》饰演男主角程刚。

2012年5月，主演的电影《忠诚与背叛》上映，凭借《忠诚与背叛》于2013年获得第15届中国电影华表奖优秀男演员奖，和第九届中美电影节最佳男演员奖；12月，主演的电视剧《刘伯承元帅》播出，饰演一生戎马的刘伯承一角，夺得第25届解放军电视金星奖优秀男演员奖 。

2013年3月，拍摄革命题材电视连续剧《掩不住的阳光》饰演方志敏一角 ；参演反映中国人民解放军西藏军区副司令员兼总医院院长李素芝及其带领的医疗队先进事迹的电影《一家人》，饰演男一号李素芝 。

2015年，参演亲情大戏《亲娘木兰》。

2015年8月，参演电影《战火中的芭蕾》。

2015年9月被中宣部、中国文联等单位联合授予“全国中青年德艺双馨文艺工作者”荣誉称号。

2016年7月11日，由金牌导演杨文军执导，杨玏、陈瑶、张丹峰、马可等主演的剧版《致青春》在东方卫视、安徽卫视、北京卫视全国首播，刘之冰在剧中饰演林静的爸爸林介州；同年，出演电视剧《彝海结盟》，在剧中饰演刘伯承。

2016年12月获得俄罗斯联邦电影家协会“特殊贡献奖”。

2019年，出演青春竞技剧《荣耀乒乓》；9月20日，刘之冰参演的电影《决胜时刻》 上映，他在其中饰演“张治中”；10月14日，刘之冰出演的《太阳升起的时刻》在北京举行首映发布会 同年，出演革命历史题材电视剧《掩不住的阳光》。

2020年9月17日，出演的《最美逆行者》在央视一台播出，他在其中饰演“冯医生”；10月27日，出演的电视剧《扫黑风暴》官宣阵容 ；12月27日，出演的重大革命历史题材剧《跨过鸭绿江》在CCTV-1黄金时间首播 ，他在其中扮演“邓华”。

2021年，特别出演电影《雪舞》；5月15日，友情出演央视总台出品电视剧《中流击水》（原名《红船》）上线；同年，主演重大革命历史题材电视剧《大决战》。