2005年，出演了缪永执导的浪漫轻喜剧《律政佳人》，从而正式进入演艺圈。2月12日，与赵薇、陆毅联合主演的爱情片《情人结》上映，在片中饰演屈然的同学吴健。

2007年，参演国歌、张子晨主演的情感片《请将我遗忘》，在片中饰演成都某公司的销售经理陈重。2008年，与吕良伟，王姬合作主演古装剧《大风歌》，在剧中饰演生性善良的刘恒。2009年，与吴浇浇合作主演数字电影《山中那个女人》，在片中饰演地质专家江东平。2010年6月4日，与江疏影合作主演的爱情片《美女“如云”》上映，他在片中饰演酒店经理许拓。

2012年2月10日，与李冰冰联袂主演的情感片《我愿意 I Do》上映，他在片中饰演设计公司的主管。3月，与刘莉莉合作主演家庭片《蜗婚男女》，在片中饰演都市青年顾伟。4月23日，与于慧、陈锐联袂主演的战争剧《母子情仇》播出，他在剧中饰演阴险却又痴情的警察队长金萧。5月，参加央视一套综艺节目《谢天谢地，你来啦》8月，参加青海卫视生活服务类节目《时尚旅游》。9月3日，其参演的家庭剧《天堂秀》播出，刘牧在剧中饰演性格忠诚的夏名乐。11月，与林伊婷主演的近代传奇剧《汉口码头》在央视一套播出，在剧中饰演黄腊生的儿子黄天虎。同年，他与杨幂、冯绍峰共同主演战国传奇《虎符传奇》，在剧中饰演赵孝成王。

2013年3月，由常铖、刘希媛领衔主演的古装医术剧《医圣》首播，刘牧在剧中饰演从小对医学感兴趣的张仲景张仲景。6月，出演励志片《何二狗的名单》，刘牧在片中饰演一位为了实现梦想不惜流汗流血的铁血男儿“何二狗”。7月26日，与张铎、张俪、李欣汝联合出演的的传奇剧《新神探联盟》播出，刘牧在剧中饰演江南船王女婿陈世美。9月2日，与赵柯、杨烁联袂主演的悬疑剧《暗花》播出，他在剧中饰演庄晓蝶的丈夫宋沛文 。10月12日，他与陈凡共同出演的剧情片《梦萦张家界》上映。11月，参加青海卫视家居服务类节目《时尚家居》。同年，与吴奇隆合作主演古装悬疑剧《刑名师爷》，在剧中饰演书生廖凯庭。此外，他还与赵毅、马跃联袂主演了历史传奇剧《热血奇侠燕子李三》，在剧中饰演警察局督察邵光耀。

2014年3月20日，由刘姝含领衔主演的情感片《蝶吻》首映，刘牧在片中饰演南楠的投资人谷平。2015年6月，与任洋样、任军豫联合主演的爱情片《婚姻合伙人》上映，他在片中饰演好男人熊涛。8月11日，参加湖北卫视互动娱乐节目《我爱我的祖国》。

2016年6月，参加深圳卫视王牌综艺节目《年代秀》。9月22日，主演喜剧片《大话青楼》 。同年，与迪丽热巴、马可领衔主演都市热血励志剧《麻辣变形计》，在剧中饰演慈爱的父亲汪荣远。

2018年，在近代传奇剧《燕阳春》中饰演男一号卫东然；12月22日，参演的电影《照相师》上映，他在片中饰演蔡祥仁和曾宝莲的儿子蔡安国 。2019年1月11日，与爱戴、叶童联袂主演的商战题材片《汝海风云》上映，他在片中饰演寻求正义的聂宏斌。

2019年11月21日，主演的都市情感励志剧《乔安你好》播出。

2020年9月4日，其主演冒险电影《大章鱼》在网络上播出。