牛星丽早年曾在华北大学美术科学习西画，后拜师著名画家许麟庐先生习国画。三峡水电站修建前，曾去三峡沿线写生，画了几十张速写。
几十年来，牛星丽从没放下过画笔，即使文革中在“牛棚”里，他仍利用写检查的时间画了200多幅工笔脸谱。他每次外出拍戏都带着速写本，一次在太行山区进行《老井》的外影拍摄，他一连画了7大本。孜孜不倦的追求、深厚的艺术功底，使牛星丽的画博得许麟庐、丛鸿伯等艺术大师的高度赞扬并于1992年在京举办了个人画展。
1952年进入北京人艺，同时参与电影演出。
1989年凭借在电视连续剧《末代皇帝》中因饰演张谦和一角，获得第9届中国电视剧飞天奖最佳男配角奖。
牛星丽的配偶是老演员金雅琴，曾主演电影《我们俩》。
金雅琴和牛星丽从20世纪50年代初相识，在一起风风雨雨度过50多年，可两人在性格、爱好方面有很大不同。金雅琴是东北人，性格开朗，喜欢热闹，而牛星丽为人沉稳、内敛、好静。平时两人在家，牛星丽总爱把自己关在屋子里画画、写字，半天不说一句话。金雅琴见老伴光顾忙自己的事情，便天天到公园去和一帮老姐妹唱歌、跳舞、打太极拳。闹非典时，老伴和女儿都不让金雅琴出门，但金雅琴趁他们不注意，就出门坐公交车奔公园去了。
金雅琴晚年眼睛由于黄斑变异加重，视力迅速下降，视野慢慢变窄，视线越来越模糊，双眼看不清一米以外的物体。黄斑变异，这是在全世界范围内的不治之症，得到这个消息，她心情很不好，经常乱发脾气。为了让金雅琴的心情平静下来，牛星丽就耐心地教她写字。牛星丽先让她用毛笔蘸清水在报纸上练习，他在旁边耐心指导，并给她下了明确的规定，每天必须坚持练字两小时。有时金雅琴练字累得腰酸胳膊疼，牛星丽会为她揉一揉，帮她活络活络筋骨；她如果口干舌燥了，牛星丽会很合时宜地端杯热茶或牛奶。
牛星丽的爱好不但广泛，而且益“精”益“专”，玩什么都要玩出名堂来，他的这些“玩法”又无不与身体健康紧密相连。
牛星丽早年曾在华北大学美术科学西画，后拜著名画家许麟庐先生为师习国画。他独辟蹊径，把国画的笔法与西画的技法融为一体，形成别具一格的画风。牛星丽说，表面看来绘画与健康没多大关系，其实不然，绘画可以使人宁神静气，修身养性，可使万般情绪凝注笔端，或收、或放，随心所欲，达到心旷神怡的境地。
牛星丽的书房与众不同，除了书、纸、笔、砚，他还养了花、鸟、小乌龟、热带鱼……在山石盆景的点缀下透出几许田园风光的韵味。在这里，冬天也可听到蝈蝈的鸣叫，他用松香、朱砂、红粉调理之后，小小鸣虫便可以模仿青蛙、鸭子的叫声，音律柔和、声声悦耳。过冬的蝈蝈要放在葫芦里，牛星丽珍藏了几十种葫芦，其造型或圆或扁或心形胆形，上面有高山河流、花鸟鱼虫、戏曲人物等凸出的图案，据说这是葫芦小时用特制的木模夹制而成的，其上乘之品十之只有一二。书房是牛星丽的小世界，给他营造了和谐、优雅的氛围。
说起体育锻炼牛星丽兴致极高，他爱好爬山、游泳、打球，而玩得最精的就是太极拳。或许这也算科班出身，60年代牛星丽师从著名表演艺术家蓝天野，学习传统杨氏太极拳八十八式，其特点是以腰带腿，走腰为主，动作益轻、益静，柔中有刚。这套拳路牛星丽已坚持练了30余年。
牛星丽晚年患有帕金森症，2009年12月31日21时许，因心脏骤停去世，享年81岁。
个人奖项
牛星丽长期的舞台实践和众多配角形象的塑造为其积累了丰厚的舞台经验。