刘丹是一位土生土长的哈尔滨姑娘，她的父亲刘明凯在本地是一位颇有名望的骨科医生。在父亲日常工作的耳濡目染之下，刘丹从小便对医疗行业充满向往，内心早早埋下了成为一名白衣天使的愿望。1987年，导演李文歧执导的剧情片《雪城》于哈尔滨取景拍摄。机缘巧合之下，剧组中一位演员因身体不适前来找刘丹的父亲就诊。正是在这次诊疗过程中，陪同前来的剧组工作人员注意到了当时在场、长相灵动可爱的刘丹，认为她十分符合剧中某个角色的气质，随即邀请她进入剧组参与拍摄。最终，刘丹在剧中饰演了男主角的妹妹一角。尽管她在整部剧中的戏份并不算多，但几乎每一场表演都能做到一次通过，展现出超乎年龄的沉稳与镜头感。这种天生的表现力让导演李文歧敏锐地察觉到了她的表演潜质，拍摄结束后，李文歧特意鼓励刘丹，建议她未来可以考虑报考专业的电影院校，系统学习表演。 事实上，刘丹在此之前已经有过报考北京电影学院的经历。她的第一次尝试发生在十四岁那年，当时她成功考入了哈尔滨青年宫举办的表演训练小班，该班级的授课教师是来自哈尔滨话剧院的知名导演高兰。在层层选拔中，刘丹从上千名报名者中一路晋级，成为进入最终考核环节的二十六人之一，然而，由于当时她的年龄实在太小，最终遗憾未能被录取。数年之后，十六岁的刘丹再次报考北京电影学院，巧合的是，初试考点仍设在哈尔滨。这一次，她与后来同样成名的王劲松一同，从两千多名考生中表现突出，获得了主考官、表演教育专家齐士龙的赏识。最终，刘丹顺利被北京电影学院表演系1990班录取，与黄磊、姜武等人成为了同窗好友。大学毕业后，刘丹进入了中国国家话剧院（其前身为中国青年艺术剧院）工作，自此正式成为一名专注于舞台表演的话剧演员，开启了她的艺术生涯。
一九九一年，刚刚迈入大学校园的刘丹便迎来了她的首次荧屏亮相，与演员闾汉彪合作出演了电视剧《泽国晨钟》，由此开启了她的演艺生涯。五年后，即一九九六年，她参演了由导演宫晓东与田迪共同执导的喜剧作品《小井胡同》，在剧中成功塑造了精明世故、给人留下深刻印象的石婶一角。时间来到一九九九年，刘丹在警匪题材剧集《刑警本色》中饰演了男二号周诗万的情人肖丽萍，这部剧集在播出后获得了业界的广泛认可，荣获第十八届中国电视金鹰奖长篇电视剧优秀奖。进入新千年的二零零零年，她又在时代剧《百戏人传奇》中挑战了青帮十九姨太黄凤这一角色。次年，在导演李家琦执导的爱情剧《都市丽人行》中，她饰演了聪慧果敢的柳飞飞，展现了角色内心的坚韧与情感深度。 二零零二年，刘丹与周杰、戴军等演员合作，出演了都市爱情剧《说出你的爱》，在剧中扮演了精明干练的都市女性罗美萍。同年，她再度与导演李文歧合作，参演了其执导的战争剧《林海雪原》，出色地诠释了许大马棒的压寨夫人蝴蝶迷这一颇具戏剧张力的角色。二零零三年二月，由陈雨田执导、刘丹参演的情感剧《瑞雪飘飘》正式播出；同年十一月，她的演艺事业迈向了国际舞台，受邀赴日参演了日本朝日电视台为庆祝建台四十五周年而制作的台庆爱情剧《流转的王妃，最后的皇弟》，在剧中饰演了清朝末代皇后郭布罗·婉容，这一经历对她而言意义非凡。此外，在这一年里，她还主演了刑侦悬疑剧《最高利益》，进一步拓宽了戏路。二零零四年八月，她参演的司法题材剧集《女子监狱》也与观众见面。 二零零五年，刘丹出演了战争剧《杨靖宇将军》；同年，她还参与了电视剧《情归》的拍摄。二零零六年十月，她与杨立新、孙卓合作主演的爱情剧《棉花儿盛开》播出，她在剧中饰演女副乡长常志宏，这是她演艺生涯中首次担纲女主角，标志着一个重要的里程碑；同年十一月，她与白珊、岳跃利合作主演的亲情剧《悠悠寸草心》播出，该剧收视表现极为出色，播出后收视率突破了百分之七点九，并成功入选年度十大最佳电视剧集，刘丹个人也凭借在剧中饰演的、冬生患病的前妻翠娥一角而广为人知，获得了观众的高度认可。二零零七年五月，刘丹与奇道联合主演的剧情电影《夜车》上映，她在片中饰演正直的法警吴红燕，这是她首次涉足大银幕，此次出演便为她赢得了国际荣誉——阿根廷第十届布宜诺斯艾利斯电影节最佳女演员奖；同年十二月，她与白珊、岳跃利再度合作主演的亲情剧《悠悠寸草心2》播出，她在剧中依然饰演翠娥这一角色，延续了之前的成功演绎。 二零零九年，由李成儒执导、刘丹出演的电视剧《龙须沟》播出，她在剧中饰演了性格刚烈、命运多舛的窑姐红喜。二零一零年，她出演了由唐大年执导的都市家庭剧《80后的儿子50后的爸》。二零一一年五月，刘丹与梁凯馨合作主演了剧情短片《硬币》，凭借精湛的演技，她获得了东京“Short Shorts”国际短片电影节亚太地区最佳女演员奖；同年八月，她主演的悬疑犯罪剧《生死大营救》播出，在剧中她饰演了一位特殊学校的聋哑校长张亚男，展现了深沉而富有感染力的表演。二零一二年四月，她参演的都市情感剧《双核时代》播出；而她与杜源合作主演的电视剧《笑脸》也于同年与观众见面。 二零一三年十月，刘丹完成了一次极具挑战性的艺术尝试，她成功地在日本演出了传统能剧《羽衣》，如愿戴上了象征少女的能面，同时也成为了第一位在日本主演传统能剧的中国演员，这在她的艺术履历上写下了浓墨重彩的一笔。二零一四年三月，刘丹第四次与导演李文歧合作，在播出的情感剧《返城年代》中饰演了知青李玖。二零一五年五月，她主演的剧情片《送别》上映，在片中她饰演了一位面临下岗困境的车间女工董凤琴，细腻地刻画了普通人在时代变迁中的坚韧。二零一六年十月，她参演了由王一淳自编自导的犯罪青春片《黑处有什么》，在片中饰演了曲靖的妈妈。二零一七年五月，她参演的青春校园片《小情书》上映。 二零一八年，刘丹在电影《冥王星时刻》中饰演了干练率真的制片人丁宏敏，该片后来成功入围了第七十一届戛纳电影节平行单元，获得了国际影坛的关注；同年十月十二日，她受邀参加了第二届平遥国际影展。二零二零年一月，她主演的剧情长片《她房间里的云》上映，该片随后相继获得了第三届平遥国际电影展“发展中电影计划·添翼计划奖”以及第四十九届荷兰鹿特丹国际电影节最高荣誉“金虎奖”，取得了重要的艺术成就；同年八月，她参演的都市情感悬疑网剧《摩天大楼》播出，在剧中饰演了摩天大楼里身份神秘的保洁员叶美丽。 二零二一年一月，她参演的剧情片《没有过不去的年》上映，她在片中饰演了王家的大妹王向藜；同年七月，她参演的青春剧情电影《盛夏未来》上映，凭借在片中饰演的班主任一角，她获得了第三十五届中国电影金鸡奖最佳女配角提名，演技再次受到专业奖项的肯定；八月，她参演的由张开宙执导的家庭情感剧《乔家的儿女》播出；十一月，在播出的都市爱情剧《爱很美味》中，她饰演了精明果敢的职场女性朱总。 二零二二年一月，刘丹与白敬亭、赵今麦等演员合作主演的时间循环题材短剧《开端》播出，她在剧中饰演了因失去女儿而陷入绝望的母亲陶映红，其极具爆发力和感染力的表演深入人心，并因此荣获第十三届青年电影手册年度突破表演奖；同年八月，她与吴倩、秦俊杰合作主演的都市爱情网剧《恋爱的夏天》播出；十月，与乔欣、马思超合作主演的爱情奇遇网剧《在你的冬夜里闪耀》播出；十一月，她出席了第三十五届中国电影金鸡奖颁奖典礼；十二月，她参演的中国共产党第二十次全国代表大会献礼剧《县委大院》播出。 二零二三年三月，她参演的《大江大河3》正式开机；四月二十八日，她参演的青春爱情电影《这么多年》上映；七月四日，她主演的电影《乘船而去》入围第十七届FIRST青年电影展剧情长片竞赛单元；九月二十四日，她主演的电视剧《泳往直前》开播；十月十八日，她参演的网剧《仿生人间》播出；十月十九日，她参演的《相亲相爱》播出；十月二十六日，她参演的网剧《破悬案》开机；十月二十七日，她参演的电影《白塔之光》上映；十一月一日，她参演的电视剧《极速悖论》播出；十一月二十九日，她主演的电影《红辣椒俱乐部》上线播出。十二月十日，她参演的电视剧《鸣龙少年》定档播出。 二零二四年一月八日，她参演的电视剧《大江大河之岁月如歌》播出；二月十日（农历大年初一），她出演的电影《我们一起摇太阳》上映；四月十二日，她主演的电影《乘船而去》上映；五月六日，她参演的电视剧《生活在别处的我》播出；八月二十三日，她参演的电影《假如，我是这世上最爱你的人》播出；九月，她凭借在作品《大江大河之岁月如歌》中的出色表现，入围第三十二届中国电视金鹰奖最佳女配角；九月十五日，她出演的电影《祝你幸福！》上映；十一月二十三日，她参演的《不讨好的勇气》在腾讯视频全网独播；十一月十六日，她凭借在电影《乘船而去》中的精湛演绎，荣获第三十七届中国电影金鸡奖最佳女配角奖，这是对她演技的极高褒奖。十二月二十六日，她参演的《而我们将永不分离》在国家话剧院小剧场成功首演。 二零二五年三月二十九日，她特别出演的电视剧《有你的时光里》播出。六月十九日，她参演的电视剧《焕羽》开播。八月二十九日，她主演的电影《7天》播出；九月九日，她主演的电影《五花山色》正式开机。九月二十一日，她参演的电影《罗目的黄昏》上映。十月十六日，她参演的电视剧《余生有涯》播出；十月二十九日，她参演的电影《春树》上映。刘丹正是凭借在电影《乘船而去》中的卓越表演，赢得了第三十七届中国电影金鸡奖最佳女配角奖这一重要荣誉。
一九九五年，第二届中日韩BeSeTo戏剧节如期举行，正是在这一重要的国际戏剧交流平台上，刘丹凭借其出色的艺术素养与舞台表现力，得到了日本知名导演太田省吾的赏识，并被选中参与其执导的戏剧作品《水之驿站》的演出。在紧张而充实的戏剧排练过程中，刘丹与太田省吾导演的儿子太田相识，两人因艺术结缘，在共同的创作氛围中逐渐加深了解，一段跨越国界的恋情由此悄然萌生。这段感情既充满了浪漫色彩，也因地理距离与文化差异而历经波折。时光流转至二零零三年，刘丹因工作安排前往日本，参演电视剧《流转的王妃》的拍摄工作。此次赴日之行，不仅是一次职业上的拓展，也让她得以与阔别多年的太田重逢。经过时间的考验与彼此的坚守，两人最终决定携手共度人生，正式结为生活与事业上的伴侣。
2012年，经由中国国家话剧院的正式推荐，演员刘丹以访问学者的身份前往日本进行为期一年的深度研修。在此期间，她有幸拜入日本能乐大师观世寿夫的关门弟子清水宽二门下，系统学习能剧的表演技艺与美学精髓。通过刻苦钻研与反复锤炼，她最终突破了语言与文化的壁垒，成功登上日本能剧舞台进行公开演出，由此成为首位在日本专业场合表演能剧的外国女演员，这一经历也为她的艺术生涯留下了深刻的印记。刘丹在日本演出能剧《羽衣》
在时间循环题材的剧集《开端》中，由刘丹所塑造的陶映红这一角色，于数次循环中直接呈现了引爆炸弹的关键情节。值得注意的是，刘丹对于每一次“同归于尽”的戏份都做出了差异化的细腻处理，使得观众能够透过她的表演，逐步窥见陶映红是如何一步步走向精神崩溃的完整轨迹。她借助层次分明的眼神变化、精心设计的肢体动作以及富有张力的台词表达，将陶映红内心深处的“疯狂”状态一层层地揭示开来，同时也将其所承受的巨大痛苦与内心挣扎毫无保留地展现在观众眼前。而在《开端》的剧情脉络里，陶映红固然因其所作所为坏得令人咬牙切齿，但刘丹的演绎却始终保持着一种内敛与克制。她并未将角色简单处理为一个纯粹的恶人，而是着力刻画一个普通人在人生陷入极度晦暗与绝望的时刻，如何一步步失足沉沦的悲剧过程。角色的可恨之处固然使其迅速出圈，引发广泛讨论，但其命运深处蕴含的可怜与可悲，才是这个人物能够触动人心、引发深思的深刻所在。在刘丹的精彩诠释下，这样一个极端化的角色得以超越单纯邪恶符号或推动剧情工具的扁平设定，转而成为一面镜子，为观众提供了反观自身、审视人性的宝贵契机。刘丹在剧中错综复杂的人物关系网络里，精准地把握了角色处于不同身份情境下的心理变迁与情绪起伏，其表演始终保持着克制隐忍的特质，恰如其分地呈现出角色的性格特点与情感状态，充分展现了演员对角色深刻的理解以及成熟沉稳的艺术把控能力。