刘冬沁中学就读于湖南省长沙市第一中学。2012年，刘冬沁参加艺考，最终以全国第七名的成绩考入上海戏剧学院，专业为表演系；在大学就读期间，刘冬沁被华谊兄弟经纪公司发掘并签约 。
2016年5月9日，刘冬沁出席电视剧《那年青春我们正好》发布会 。10月7日，主演的都市科幻网络剧《我不是妖怪》在优酷土豆上线，在剧中刘冬沁饰演狂族四大主帅成员之一陈可破，拥有不死之身 。
2017年1月28日，刘冬沁参加以“欢动万家夜，爱暖中国心”为主题的北京台春节联欢晚会，与李晨、杨旭文和梁译木等人演唱歌曲《冲向巅峰》 。之后，主演青春电影《草样年华》 。
2018年1月31日，以滑雪为题材的青春悬疑偶像剧《东山晴后雪》在芒果TV上线，在剧中刘冬沁饰演滑雪教练韩东山，与阳光善良的滑雪场VIP接待员赵晓晴之间围绕悬疑、寻亲、复仇而展开的一段先甜后虐的爱恋纠葛 。3月29日，主演的都市青春偶像剧《恋与偶像》在爱奇艺上线，刘冬沁所饰演的赫连荣光是个街舞技能出众、个性张扬的队长 。6月15日，悬疑刑侦网络剧《法医秦明2清道夫》在搜狐视频上线，刘冬沁饰演秦明，开启探案的故事 。
2019年，与阮经天和宋祖儿搭档主演美食题材都市青春剧《舌尖上的心跳》 。
2020年11月23日，与侯明昊、祝绪丹等搭档主演的悬疑探案剧《心宅猎人》在爱奇艺上线，刘冬沁在剧中饰演心理医生秦一恒，是一名留洋归来学霸级人物，外表看似高冷难以接近，内心却十分讲义气 。
刘冬沁不光有着阳光帅气的外表，在演技方面也丝毫不马虎（网易娱乐评） 。刘冬沁颜值高，形象阳光，身形完美；同时，他不仅有着扎实的表演功底，对于角色的塑造和情感的把控也有着自己独特的见解（新浪娱乐评） 。在电视剧《那年青春我们正好》中，刘冬沁的表现可圈可点（腾讯娱乐评） 。