刘之冰出生在一个知识分子家庭，父亲从事文化教育工作。小时候，刘之冰经常跟父亲去边防部队慰问演出，对文艺产生了浓厚的兴趣，并上台背诵几段毛主席诗词助兴。
1976年冬，黑龙江省艺校歌舞专业面向全省招生，在父母的支持下，刘之冰成功考上黑龙江省艺校。
1977年下半年，14岁的刘之冰参演首部电影《傲蕾·一兰》，饰演傲蕾·苏木蒂，并从14岁演到23岁。
1979年毕业于黑龙江省艺校，1982年2月调入长春电影制片厂演员剧团，2008年3月特招入伍调入八一电影制片厂演员剧团任演员。
1989年，在电影《开国大典》中出演“毛岸英”。
1995年，凭借《青铜狂魔》夺得第5届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖，和第17届长影小百花奖最佳男主角奖。
1999年，参演电视剧《红岩》；在电视剧《曾国藩》里饰演“左宗棠”一角。
2000年，参演电影《黄埔军人》饰演蒋介石。2001年，与茹萍主演《仗义执言》。
2005年，与茹萍主演由年迈的老母患痴呆症引发的儿女孝顺话题的亲情剧《守望幸福》，出演谢天书一角。
2005年9月，参演都市情感剧《不能没有你》。
2006年，参演电视剧《雄关漫道》
2007年，参演金韬执导电视剧《井冈山》出演瞿秋白。
2010年10月，主演的改编自小说《农民知己邓子恢》的电视剧《邓子恢》播出，剧中刘之冰饰演邓子恢一角。
2011年，参演电影《飞天》，获得第14届中国电影华表奖优秀男演员和第28届中国电影金鸡奖最佳男主角提名。
2011年8月，参演《美丽的谎言》饰演男主角程刚。
2012年5月，主演的电影《忠诚与背叛》上映，凭借《忠诚与背叛》于2013年获得第15届中国电影华表奖优秀男演员奖，和第九届中美电影节最佳男演员奖；12月，主演的电视剧《刘伯承元帅》播出，饰演一生戎马的刘伯承一角，夺得第25届解放军电视金星奖优秀男演员奖。
2013年3月，拍摄革命题材电视连续剧《掩不住的阳光》饰演方志敏一角；参演反映中国人民解放军西藏军区副司令员兼总医院院长李素芝及其带领的医疗队先进事迹的电影《一家人》，饰演男一号李素芝。
2015年，参演亲情大戏《亲娘木兰》。
2015年8月，参演电影《战火中的芭蕾》
2015年9月被中宣部、中国文联等单位联合授予“全国中青年德艺双馨文艺工作者”荣誉称号。
2016年7月11日，由金牌导演杨文军执导，杨玏、陈瑶、张丹峰、马可等主演的剧版《致青春》在东方卫视、安徽卫视、北京卫视全国首播，刘之冰在剧中饰演林静的爸爸林介州；同年，出演电视剧《彝海结盟》，在剧中饰演刘伯承。
2016年12月获得俄罗斯联邦电影家协会“特殊贡献奖”。
2019年，出演青春竞技剧《荣耀乒乓》；10月14日，刘之冰出演的《太阳升起的时刻》在北京举行首映发布会。同年，出演革命历史题材电视剧《掩不住的阳光》。
刘之冰妻子茹萍、儿子刘思博也是演员。1997年，在拍摄《一路风雨一世情》时，刘之冰与茹萍相恋，1998年秋天，刘之冰向茹萍求婚，刘之冰和茹萍各自带着自己的孩子，携手走进第二次婚姻。2010年，儿子刘思博考入解放军艺术学院。
2015年12月16日，作为嘉宾出席了第三届金丹若国际微电影节。
2015年12月23日，作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
影视类
刘之冰一直以正直、认真、敬业的形象示人，多年的演绎生涯积攒的深厚功力，让他对演绎越来越驾轻就熟，从《开国大典》中的毛岸英、到《邓子恢》中的邓子恢、《飞天》中的张天聪和《守望幸福》中的谢天书，刘之冰成功的塑造多个栩栩如生的荧屏形象。