刘端端出生于北京市东城区,高三时萌生想要成为演员的想法,为了能顺利入读中央戏剧学院,他在一个月内减肥40斤。在母亲的鼓励下,他决定看齐前辈孙红雷,奋力一搏达到中央戏剧学院的招生要求;即便是课业繁重的高三,刘端端依然勤于锻炼;后来,他不仅瘦身成功并且顺利通过了中央戏剧学院的入学招生考试 。大学毕业后,他进入了中国国家话剧院,并出演了《红色》、《红岩魂》等多部舞台剧 。
2013年,出演霍建华、贾青、李健主演的年代传奇剧《镖门》,在剧中饰演忧国忧民的镖局少东家谢还。2014年,参演杨亚洲执导的电视剧《嘿,老头!》,在剧中饰演误入歧途的小混混易智 ;9月,在张黎执导的年代剧《少帅》中饰演张学良的弟弟张学成,与文章饰演一对兄弟。
2015年,与范明、朱锐、闫学晶共同出演都市情感剧《真心想让你幸福》。2016年5月,为电视剧《小丈夫》创作并演唱了主题曲《疯狂爱》 。2017年7月19日,与张震、杨幂、张译、雷佳音共同参演的古装武侠电影《绣春刀Ⅱ:修罗战场》上映,在片中饰演阴柔而狠绝的信王 ;10月31日,为电视剧《特勤精英》演唱的OST《英雄救美》、《相遇》发布 ;11月22日,与张嘉译、果靖霖、刘佩琦共同出演的都市情感剧《生逢灿烂的日子》播出,在剧中饰演青年时期的性格早熟、内敛且负责任的郭小洋 。
2018年,出演刘雪松执导的都市时尚励志剧《我们都要好好的》,在剧中饰演暖心潮男胡楠;同年,出演孙皓执导的古装权谋剧《庆余年》,饰演足智多谋的二皇子李承泽 ;9月3日,为电视剧《远方的家》演唱的片尾曲《妈妈,我想对你说》发布 。
2019年6月21日,其主演的战争电影《八子》上映,他所饰演的小儿子满崽从单纯鲁莽畏战的毛头小伙成长为坚强勇敢的革命战士,这也是他首次在影视作品担纲男一号 ;同年,与孟美岐、肖战、李沁合作出演的古装玄幻电影《诛仙》上映,在片中饰演大师兄齐昊 。
2020年2月,参加湖南卫视原创声音魅力竞演秀《声临其境第三季》 ;其后,主演涉案缉毒剧《雷霆令》 ;同年,与张若昀、胡军、李庚希等共同主演的古装武侠剧《雪中悍刀行》,在剧中他所饰演的赵楷是赵淳的私生子,野心勃勃,实则志大才疏,空有谋略却不敢赌命 ;8月8日,作为补位跨界歌手参加的北京卫视明星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第五季》播出 。
2020年2月2日,与众多艺人共同演唱的公益歌曲《坚定希望》发布,该歌曲是新华社“声在中国”栏目以“不要害怕,坚定希望”为主题展开创作的公益歌曲,希望通过音乐的力量鼓励全民坚定打赢抗疫阻击战的信心,共同遏制谣言、克服恐惧,万众一心驰援武汉 。
刘端端外形时尚,气质出众,被誉为“演技派里适合走T台的演员”。在电影《绣春刀Ⅱ:修罗战场》中,刘端端通过充满张力的表演和对角色深入的剖析,将信王朱由检这位腹黑的皇位觊觎者刻画的入木三分。而在和金士杰对戏时也丝毫不落下阵来,体现出扎实的表演功底 (腾讯娱乐评)。刘端端通过精湛的艺术表演功底将每一个角色诠释的富有层次,能给大家带来不一样的惊喜 (新浪娱乐评)。
在电影《八子》中,刘端端的走心演绎个性十足,让人热血沸腾,其敬业态度也受到了同组人员的一致好评。对于第一次挑大梁演男主角,他在与邵兵及岳红搭戏的过程中,表现出了自己独特的艺术见解与表达 。在演唱歌曲《疯狂爱》时,刘端端富有磁性的嗓音与深情的演唱别具魅力 (网易、新华网评)。