2001年初, KBS电视台的《 学校4》开拍选秀之初孔刘落选,半年后重遇《学校4》导演,被给予机会而参演电视剧,以黄泰英一角正式出道踏入演艺圈。2002年,参演2002年的电视剧《无阻的爱》及《总是忐忑不安》,先后饰演徐景杰及朴振浩两个角色。2003年饰演电影《 我的野蛮女老师》中的李宗修,亦在电视剧《二十岁》中饰演徐俊,在《 梦想的屏幕》中饰演姜俊表,亦以后者的表现得到同年SBS演技大赏最优秀新演员奖。2004年主演电影《 间谍女孩》饰演崔高本、参演电影《 S日记》饰演宇仁、客串《 超级明星甘先生》饰演朴哲淳,亦主持音乐节目《Music Camp》。2005年主演电视剧《 饼干老师星星糖》饰演朴泰仁,同时参与电影《 校园卧底》的演出,饰演姜鲁荣一角。经历过各种不同角色演练后,孔刘终于在2006年以电视剧《 精彩的一天》中沉稳内敛的徐乾一角,获取同年MBC演技大赏中迷你剧集类的演技奖。2007年亦以《 咖啡王子一号店》中崔汉杰角色,获得优秀男演员奖项。2008年1月14日至2009年12月8日,孔刘入伍从军,期间曾出任韩国国防弘报院国军广播电台《孔刘等待的20时》节目主持人,该节目同步以网路向全球播出,创下不亚于同时段当红商营广播节目的收听率。同时,他亦曾兼任国军电视台《将兵歌谣BEST》节目VJ一职。2010年孔刘退役后,除了倾向多方媒体发展,亦出演电影《 寻找金钟旭》,一人分饰金钟旭及韩基俊两角。同时更竭力奔走,促成及参与电影《 熔炉》于2011年诞生,更在其中演绎姜仁浩一角。2012年孔刘出演电视剧《 BIG》,再次分饰姜景俊及徐允在两个不同角色。2013年,接演电影《 嫌疑者》,挑战体能与演技的池东哲一角。2016年在电影《 男与女》中,尝试激情戏份,演绎暂新的基洪一角。亦在灾难电影《 釜山行》中挑战演技与动作饰演主人公石宇。9月,在美国 华纳兄弟娱乐公司首部投资的韩国电影《 密探》中,饰演韩国人民独立运动义烈团领导者金优进。12月,出演电视剧《 孤单又灿烂的神-鬼怪》,演绎纵横古今、永生不灭的灶火精灵金侁。并以此角色的表现获得第53届百想艺术大赏电视部门最佳男演员奖及第5届美国DramaFever大奖最佳男演员奖项;2019年10月23日,主演的电影《82年生的金智英》在韩国上映,在剧中饰演大贤。12月4日,出演的脱口秀节目《李栋旭想做脱口秀》在SBS播出。2020年3月,参演电影《wonderland》 。6月,参演Netflix原创剧《寂静的大海》,在剧中饰演韩允才。9月,参演MBC青春纪录片《再次二十岁——咖啡王子一号店篇》。11月11日,参与录制综艺节目《You Quiz On The Block》。2021年4月,出演网络节目《IU's Palette》。4月15日,主演的电影《徐福》定档在韩国上映,在剧中饰演闵基宪。9月17日,参演的电视剧《鱿鱼游戏》定档在Netflix播出。