牛丽燕出生于一个底蕴深厚的武术世家，她的祖父曾荣获全国武术冠军的称号。然而，由于她幼年时体质较为孱弱，行走姿态还带有明显的内八字，家人们普遍认为她并不适合继承家族的武术传统。大约从四五岁开始，家人便引导牛丽燕转而学习芭蕾舞，他们相信芭蕾训练能够对女孩的腿部线条塑造与整体气质的培养产生非常积极的影响。事实上，通过长期而系统的芭蕾练习，她自四岁起便存在的内八字步态问题，在持续到十岁左右的过程中逐渐得到了有效的矫正。此后，牛丽燕前往北京进入艺术学校进行深造，在那里她开始接受系统而专业的舞蹈训练，主攻方向包括古典舞与民族舞等多种舞蹈形式。
一九九四年，年仅八岁的牛丽燕初次涉足影视领域，在刘子蔚担纲主演的人物专辑题材剧集《梅兰芳》中饰演了梅葆玥一角，由此开启了她的演艺生涯。三年后，即一九九七年，她又在陈勋奇与周海媚联袂主演的旧上海背景言情剧《风暴上海滩》里，出演了角色小若兰。进入二零零二年，牛丽燕首次在青春校园题材电影《麻辣女生》中担任领衔主演，于片中塑造了高二女生欧阳蕙的形象；同一年，她还参与了由周晓文、于敏、鞠觉亮、赵箭四位导演共同执导的金庸武侠巨制《天龙八部》，并在其中饰演了乔峰的母亲这一重要角色。二零零四年，她出演了民国背景的轻喜剧《春蚕织梦》，饰演因逃婚而误入桑园、并被迫留下工作的女子叶桑枝。二零零七年，她在悬疑情感剧《梅花档案2》中诠释了农村姑娘白小梅这一质朴形象。此后一段时间，由于个人经纪合约方面的问题，牛丽燕在影视剧领域的演出活动有所减少。直至二零一一年六月，她才正式恢复工作，其复出后的首部作品是宫晓东执导的古装历史传奇剧《穆桂英挂帅》，她在剧中扮演了杨家将中那位身手不凡的烧火丫头杨排风；同年十二月十七日，她参演的宫廷历史剧《凰图腾》于湖南卫视金鹰独播剧场首播，剧中她饰演了女主角缪风燕的妹妹缪风萤，这也是她演艺生涯中首次尝试诠释反面角色。二零一二年五月四日，她参演的都市情感剧《幸福生活在招手》在中央电视台八套播出；随后在十一月二十日，她出演的战争题材剧集《猎杀》（亦称作《唱支山歌给党听》）登陆湖南经视播出；同年，她还在梁冠华主演的抗日战争剧《猎狼人》中，饰演了武功高强的角色汤芍。二零一三年，她在李铁良执导的现代反恐题材电视剧《未来战士》中挑战自我，一人分饰了萧萧与吴桐两个截然不同的角色；六月六日，她加盟的都市悬疑情感剧《每个人都有秘密》在青岛正式开机，她在剧中饰演了一位外表冰冷、行事干练的外科医生蒋子喻。二零一四年，她与于震、刘小锋、张光北等演员共同主演了战争剧《炮神》，饰演了一位出身名门、生性贤淑、兼具文化修养与医术的千金小姐李慕兰；九月十九日，她参演、由陈勋奇执导的时尚爱情功夫喜剧电影《缘来是游戏》在全国范围内公映，此次合作是她继十七年前参演《风暴上海滩》之后，与陈勋奇导演的再度携手。二零一五年四月九日，她与小张铎领衔主演的抗战剧《生死连》在湖南经视播出，她在剧中成功塑造了美丽机智、善良细心的八路军医生丁灵，该剧后来在上星播出期间，取得了当季度四川卫视收视率第一的佳绩，其网络点击量更是突破了七亿次。二零一六年，她与张笑君、小张铎再度合作，共同主演了抗战剧《东风破》，在剧中饰演了一位英姿飒爽的国军副营长高萍。二零一九年十二月六日，她与林家栋、李东恒共同主演的悬疑犯罪题材电影《迷局伏香》正式上映。二零二二年九月二十五日，她参演的跨时代胡同史剧《胡同》与观众见面。二零二三年六月二十一日，她参演的电影《我爱你！》登陆院线。根据已公布的信息，她参演的电视剧《和前任的第二次恋爱》预计于二零二五年四月十五日播出，而她参演的电影《青云塔三姐妹》则计划在二零二六年三月七日于全国影院上映。