牛丽燕出身武术世家，爷爷是全国冠军，因为小时候身体不好，走起路来还是内八字，家里人觉得她学不了武术。从四五岁起，牛丽燕开始学习芭蕾，家人认为跳芭蕾对女孩的腿形、气质都会起到很好的作用。内八字的问题，也从4岁开始直到10岁左右得以矫正好。后来到北京上艺校，专业学习古典舞、民族舞等。
1994年，8岁的牛丽燕首次出演电视剧，在刘子蔚主演的人物专辑题材剧《梅兰芳》里演梅葆玥。
1997年，在陈勋奇、周海媚主演的旧上海言情剧《风暴上海滩》中饰演小若兰。
2002年，领衔主演青春校园题材电影《麻辣女生》，在片中饰演高二女生欧阳蕙。同年，在周晓文、于敏、鞠觉亮、赵箭联合执导的金庸武侠剧《天龙八部》中饰演乔峰母亲。
2004年，在民国轻喜剧《春蚕织梦》中饰演逃婚误闯桑园，被迫在桑园工作的叶桑枝。
2007年，在悬疑情感剧《梅花档案2》中饰演农村姑娘白小梅。之后因为经纪合约的问题，较少参与影视剧的演出。
2011年6月，牛丽燕恢复工作的第一部戏是宫晓东执导的古装历史传奇剧《穆桂英挂帅》，在剧中饰演杨家烧火丫头杨排风。12月17日出演的宫廷历史剧《凰图腾》在湖南卫视金鹰独播剧场首播，饰演女主角缪风燕的妹妹缪风萤，这是她第一次尝试反面角色。
2012年5月4日，参演的都市情感剧《幸福生活在招手》在央视八套播出。11月20日出演的战争剧《猎杀》在湖南经视播出。同年在梁冠华主演的抗日战争剧《猎狼人》中饰演武功高手汤芍。
2013年，在李铁良执导的现代反恐题材电视剧《未来战士》中一人分饰萧萧、吴桐两个角色。6月6日出演的都市悬疑情感剧《每个人都有秘密》在青岛开机，在剧中饰演外表冰冷干练的外科医生蒋子喻。
2014年，与于震、刘小锋、张光北共同主演战争剧《炮神》，在剧中饰演名门大户的千金小姐李慕兰，生性贤惠有文化懂医术。9月19日参演陈勋奇执导的时尚爱情功夫喜剧片《缘来是游戏》全国公映，这是牛丽燕继17年前《风暴上海滩》后跟陈勋奇导演的又一次合作。
2015年4月9日，与小张铎领衔主演的抗战剧《生死连》在湖南经视播出，在剧中饰演美丽机智、善良细心的八路军医生丁灵，该剧上星播出时取得当季度四川卫视收视率第一，网络点击量突破7亿。
2016年，与张笑君、小张铎共同主演抗战剧《东风破》，在剧中饰演英姿飒爽的国军副营长高萍。
2019年12月6日，与林家栋、李东恒等主演的悬疑犯罪电影《迷局伏香》上映。
从《凰图腾》《幸福生活在招手》到《穆桂英挂帅》，无论是坏的让人咬牙切齿的缪风萤、抑或是霸道蛮不讲理的宋天然、或是烧火丫头杨排风，不管角色好坏，她们身上都是有女侠元素的，而出身武术世家，有着多年舞蹈经历的牛丽燕游刃有余的塑造这些角色。