刘恩佑出生于云南省昆明市,他小时候的愿望是当一名飞行员。刘恩佑与童谣在中学时代是同班同学,在高考时,两人也不约而同地报考了中央戏剧学院及北京电影学院,而刘恩佑则同时被两所学校录取。2004年,他独自一人来北京到电影学院上学,刚步入学校的时候,他就得到多位导演的青睐,并被邀请去出演影视剧,但限于学校的规定,加上他本人希望可以踏实学习基本功的意愿,直到2005年他才开始拍戏。
刘恩佑出演电视剧《尖峰》2005年,刘恩佑首次触电,参演了张进战执导的军旅剧《大校的女儿》,从而正式进入演艺圈。2006年,主演刘浩执导的剧情电影《底下》,在片中担纲男主角,饰演在艺术院校学习表演的学生贾豪,这是他的首部电影作品。2007年,与金莎,杨贵媚,杨烁合作主演青春励志情感剧《幸福的眼泪》,在剧中饰演性格傲慢孤僻的男主角顾亦航。2008年,出演成泰燊,袁弘,王洛勇主演的古装剧《天地民心》,在剧中饰演祁家最小的儿子祈元白,与吕丽萍饰演一对母子；同年,推出个人单曲《可不可以不爱你》；此外,他还参演了古装历史剧《春秋淹城》。2009年,与霍思燕,李晨联袂主演都市情感剧《孽缘》,在剧中饰演事业有成的男二号郭浩东；同年,与贾静雯,吴秀波,韩青合作出演家庭情感剧《大爱无敌》,在剧中饰演男主角谢永康的弟弟谢永健,与吴秀波饰演一对兄弟；此外,他还担任了金莎《这种爱》MV的男主角。影视剧《刀光枪影》2011年5月3日,与姚芊羽,陈昭荣,陈莎莉联袂主演的年代情感剧《兰花香》上星播出,在剧中饰演痴心,执着的富家公子汤君竹；同年,与夏侯琪誉搭档主演爱情电影《婚礼告急》,在片中饰演男主角袁烁；此外,他还与苗圃,斯琴高娃,罗晋合作出演了古装传奇剧《穆桂英挂帅》,在剧中饰演八贤王之子赵飞。2012年,与莫小棋,巩新亮,谭卓合作出演都市爱情电影《擒爱记》,在片中饰演帅气多金,事业有成的黄金单身汉明远；同年,与叶璇,莫小棋,李蓓蕾,巫迪文领衔主演年代情感剧《青春烈火》,在剧中饰演外表放荡不羁,内心正义凛然的纳兰东；6月15日,其主演的爱情悬疑电影《蓝调海之恋》上映；12月17日,其出演的古装言情剧《美人无泪》在江苏卫视首播,在剧中饰演女主角大玉儿的兄长吴克善,与袁姗姗饰演一对兄妹。电视剧《精忠岳飞》饰演小梁王2013年,与韩雪,王琳,叶童,陈翔联合主演年代悬疑爱情剧《淑女之家》,在剧中饰演有洁癖的报社编辑简东平；7月4日,其出演的古装剧《精忠岳飞》上星播出,在剧中饰演武艺高强的“小柴王”柴桂；11月18日,与周知搭档主演的抗战剧《尖锋》首播,在剧中饰演帅气英武,极具智慧的“天狼星行动队”教官廖武。2014年,与郑亦桐搭档主演战争剧《擒蛇》,在剧中担纲男主角,饰演军分区独立营长乔山虎；同年,与王志文,朱丹,陈好合作主演都市家庭轻喜剧《待嫁老爸》,在剧中饰演帅气多金,心地善良的黄凯迪；之后,与吕一,林伊婷,何明翰联袂主演抗战剧《刀光枪影》,在剧中饰演身怀绝技的男主角高天行。剧照2015年,与林申,陈思斯合作主演都市情感剧《亲密搭档》,在剧中饰演乔天宇的保镖兼保姆马勇,并挑战了男扮女装的戏份；同年,与张雯,李雅男,贾雨萌领衔主演民国情感剧《烟花易冷》,在剧中饰演男主角易思文；之后,与何晟铭,娄艺潇合作主演年代情感剧《忘情歌》,在剧中饰演玩世不恭的男主角高文中。2016年1月8日,其主演的民国悬疑轻喜剧《煮妇神探》在浙江卫视首播,在剧中饰演严肃冷漠,能力超群的巡捕房探长张正；同年,与战菁一,高叶,刘波合作主演抗战剧《李三枪》,在剧中饰演心思缜密且风流倜傥的男主角李三枪；之后,出演查尔斯·马丁执导的动作电影《极智追击》。《致勇敢的你》剧照2017年,与乔乔,魏震,梅俪儿合作主演年代传奇剧《好汉》,在剧中担纲男主角,饰演因遭遇灭门悲剧而投身革命的钱府大少爷钱泽华。2018年5月28日,参演的美食题材青春励志剧《像我们一样年轻》登陆湖南卫视,刘恩佑饰演高雅身边最得力的助手韩木；同年,参演古装玄幻剧《那片星空那片海2》。2020年11月7日,刘恩佑主演的由优酷出品的都市女性情感励志剧《致勇敢的你》于西安开机。2021年6月,主演电视剧《不说再见》播出,在剧中饰演荣耀；10月23日,都市剧《暖阳之下》播出,饰演赵云申。写真气质暖男写真杂志
刘恩佑的女友是演员张熙媛。
刘恩佑的表演非常松弛,自然,他的演技过人,一双电眼更是非常迷人。刘恩佑的外形和气质非常贴合“纳兰东”这个人物,他在试戏时对于角色的揣摩非常到位。刘恩佑凭借其优质的外形条件,阳光爽朗的笑容以及自身不俗的气质,在众多现代影视剧中出演了“高富帅”角色,他也因此受到观众的喜爱,并被称作为荧屏“高富帅”专业户。荧幕中的刘恩佑一直给人以成熟魅力男人的形象,无论是出演吴克善这样的气魄大将,还是唐逸这样阳光帅气的男人,都显现出他优雅的气质。在电视剧《兰花香》中,刘恩佑用精彩的表现将汤君竹各个时期的人物状态表现得妥帖到位,也将人物从内而外的个性与特质阐释得淋漓尽致。在电视剧《亲密的搭档》中,刘恩佑用其精湛娴熟的演技塑造了一个有情有义的好搭档,也让不少观众都被剧中的兄弟情深所为之震撼；而在一组黑白时尚写真中,刘恩佑淋漓尽致地展现了其完美的身材,眼神性感而专注,造型帅气又不失质感,再与简约黑白色调相结合,演绎熟男魅力,彰显野性霸道。