一九九零年，她首次登上大银幕，参演了电影《战争子午线》，由此开启了演艺生涯。一九九七年，她在李晨与郝蕾主演的电视剧《十七岁不哭》中亮相，饰演了岳晓丹这一角色。二零零一年，她通过公开海选脱颖而出，与苏有朋合作拍摄了康师傅绿茶广告，获得了广泛关注。二零零三年九月，她参演了由孙俪和佟大为主演的电视剧《红粉世家》，在剧中出演玲子一角；同年，她还在一部古装剧《杨门虎将》中饰演了柴郡主，展现了其古装扮相的魅力。二零零四年，她与苏有朋、林心如及安七炫联袂出演电视剧《魔术奇缘》，挑战了反派角色朴玉拉，其表演令人印象深刻。二零零五年，她参演了由海岩编剧的电视剧《五星大饭店》，并担纲女主角汤豆豆，这是其演艺道路上的一个重要突破。二零零六年，她与房祖名、陈柏霖共同主演了电影《PK.COM.CN》，饰演女主角吴羽飞；同年，她还参演了电视剧《数风流人物》，在剧中饰演女一号夏雨，进一步巩固了其作为演员的知名度。二零零七年五月，她主演了电视剧《空巷子》，继续拓展其表演领域。二零零八年，她参与了湖南卫视的节目《舞动奇迹》，展现了多方面的才能。二零一零年一月，她与明道、李易峰主演的电视剧《幸福一定强》于安徽卫视播出；同年，她还主演了电视剧《温柔的背叛》，在剧中饰演林丹一角。二零一一年三月，她与韩国明星金载沅合作，主演了中韩合拍的电视剧《初恋》，饰演徐爱莲；此外，她还参加了上海东方卫视的《舞林大会》节目，表演了《青蛇》和《摇滚学校》等舞蹈作品。二零一二年，她参演了由舒淇和余文乐出演的电影《情迷》。二零一三年十一月，她在任达华与林雪出演的警匪片《冲锋战警》中贡献了演出。二零一五年二月，她与蓝正龙主演了电影《爱的频率》，并担任女主角；同年五月，她与张歆艺、黄觉等演员合作，出演了电视剧《好想好想爱上你》，在剧中饰演廖贝妮。
二零一三年五月，多家娱乐媒体相继报道了演员牛萌萌与张默正在热恋的消息，并公开了记者拍摄到的两人亲密拥吻的清晰照片，引发了公众的广泛关注。面对媒体的追问，牛萌萌本人并未直接否认，而是以含蓄的态度默认了这段恋情。然而，事件在一年后出现了转折。二零一四年五月，张默工作室通过其官方微博账号正式发表声明，明确否认了张默与牛萌萌仍在交往的说法。与此同时，张默的经纪人也进一步向媒体透露，两人实际上早已结束了恋爱关系，分手时间早于外界猜测。这一前一后的表态，使得这段感情的起始与终结显得扑朔迷离，成为当时娱乐新闻中一段引人关注的插曲。
牛萌萌以其高度的敬业精神而备受认可，在参与每一部电视剧的拍摄以及每一场演出录制时，她都会投入极大的努力与专注，力求将角色演绎到位。生活中的牛萌萌则显得十分简单随性，日常装扮多以T恤、牛仔裤搭配利落的马尾辫为主，展现出自然而不加修饰的个人风格。与此同时，她为人真诚坦率，从不刻意隐藏自己内心的真实情感与想法，这种直率的性格也让她在同行中获得了不少好感。在表演方面，牛萌萌展现出宽广的戏路，能够自如地驾驭从古装到现代的不同类型角色，并且对每个角色都倾注了细腻的揣摩与用心的诠释（毛伟宁评价）。此外，她拥有高挑的身材和清秀的五官，其面貌因与著名演员张曼玉颇为神似，而在业界和观众间享有“小张曼玉”的美誉。
二零二零年六月二十三日，《新京报》网站发布一则报道，文中引述所谓“知情人”的消息称，女演员牛萌萌于当年五月因参与聚众吸毒被警方抓获。随后该报道又补充称，“新京报记者从两名知情人处进一步获悉，牛萌萌早在二零一四年七月就曾因吸毒被处以行政拘留，此次属于再次被查”。值得注意的是，“北京禁毒”的官方微博账号曾转发过前述第一条消息，但在同日又将其删除。面对涉毒指控，牛萌萌本人通过社交平台发文坚决否认，并出示了网络直播数据作为证据，强调自己在五月期间每日均在进行带货直播，从未间断。她表示：“我每天在做什么，身边的工作人员和团队都非常清楚，幸好现在有完整的直播记录可以证明我的行程。”同时，她也否认了外界关于其恶意炒作的猜测，认为自身并无进行此类操作的必要。当晚九点三十分左右，《新京报》报记者前往牛萌萌直播所在的大厦，试图在其直播结束后进行采访，但未能获得对方回应。次日，即二零二零年六月二十四日，北京市公安局大兴分局通过其官方微博“大兴公安”发布情况通报，指出在二零二零年五月二十二日，大兴公安分局根据群众举报，于本市某写字楼内查获一名吸毒人员牛某某（女性，三十七岁），该人员对其吸毒的违法事实供认不讳，经检测，其体内甲基苯丙胺类毒品呈阳性。依据《中华人民共和国治安管理处罚法》相关规定，牛某某被大兴公安分局依法处以行政拘留。随后，《新京报》刊发文章指出，通报中的“牛某某”正是演员牛萌萌，并透露大兴公安分局在牛萌萌公开否认吸毒被查后迅速采取行动，于六月二十四日凌晨六时许再次将其控制，并依法作出执行行政拘留的决定，最终于当日十八时二十分正式执行拘留。