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。2021年,刘冬沁签约丝芭影视。
《红秀》美图2015年7月,在都市情感电视剧《那年青春我们正好》中饰演肖小军的发小高旗；10月,参演根据郭敬明同名小说改编的玄幻电视剧《幻城》,饰演冰族属国熊族王子辽溅,为了王和胜利放弃作为战士的尊严,舍生忘死。2016年5月9日,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》在播出,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,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,参演的滑雪题材青春悬疑偶像剧《东山晴后雪》播出,在剧中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》播出,在剧中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,主演的悬疑刑侦网络剧《法医秦明2清道夫》播出,在剧中饰演秦明,开启探案的故事。2020年11月23日,主演的悬疑探案剧《心宅猎人》播出,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。2021年9月19日,主演的青春校园电影《我的青春有个你》全国上映,饰演男主角邱飞；参演献礼建党100周年的历史剧情电影《1921》,在片中饰演施存统；6月13日,参演电视剧《百炼成钢》；7月19日,参演的都市情感剧《我是真的爱你》播出；11月26日,主演的都市爱情料愈剧《爱很美味》播出,在剧中饰演富二代宋超。2022年1月13日,参演的美食题材都市青春剧《舌尖上的心跳》播出。6月,参演电视剧《乐游原》；8月17日,参演的电视剧《二十不惑2》播出。2023年4月15日,参演电影《爱很美味》上映；6月1日,主演的轻古风仙侠剧《花戎》播出,在剧中饰演魔族大尊慕南。写真《法医秦明2》剧照《我的青春有个你》剧照《爱很美味》剧照
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。刘冬沁颜值高,形象阳光；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。在电视剧《那年青春我们正好》中,刘冬沁的表现可圈可点。