刘丹出生于黑龙江省哈尔滨市（一说黑龙江省鹤岗市），在河南省洛阳市度过了自己的少女时代 。12岁时， 开始学芭蕾。17岁时，参军成为文艺战士 。由于从小就喜欢看电影、听别人说故事，刘丹立定志向要当一个演员，后到艺术学院和中央戏剧学院就读 。刘丹与李亚鹏不仅是同学，而且还是有着十年友谊的好朋友 。
1993年，出演个人首部电视剧《火把寨》，从而正式进入演艺圈 。1994年，参演陈剑飞、沈慧芬、夏菁主演的清装剧《牛子厚与富连成》，在剧中饰演二姑娘的妹妹五姑娘 ；同年，她还出演了电视剧《太阳女人》。
1995年，出演李保田、张国立、王刚、邓婕主演的清装剧《宰相刘罗锅》，在剧中饰演清河县民女秀清；随后，参演马景涛、夏文汐、陈红、郭晋安主演的古装武侠剧《新龙门客栈》，在剧中饰演来无影去无踪、神秘兮兮的蒙面女飞贼“金燕子”小青；同年，她还出演了个人首部电影《与你同住》；此外，她还参演了抗战剧《太行山突围》。
1996年，与刘威、王大治联袂主演电视剧《黄土魂》，在剧中饰演勤劳质朴的女主角秋叶。1997年，与胡亚捷、巫刚合作主演都市情感剧《今秋情正浓》；同年，与薄绍桢、王璐瑶、张大礼合作主演情景喜剧《留美房客》，在剧中饰演年轻貌美的安琪；此外，她还主演了爱情电影《冬日爱情》，在片中饰演女主角刘嘉英 。
1998年，从几千个女演员中脱颖而出，获得了出演清装宫廷剧《还珠格格第二部》的机会 ，其在剧中饰演的含香（香妃）有着水灵的大眼、充满异域风情的美貌以及温婉的笑容，她能歌善舞且敢爱敢恨，天生自带异香的她能吸引数千里外的蝴蝶 ；《还珠格格第二部》打破了第一部的收视率，全国平均收视率突破了54%，最高点突破65%，并因此创下了中国电视剧的收视纪录 ，该剧创造出收视率中国第一、亚洲第一、重播率最高等多项纪录，并被湖南卫视作为保留剧目，在之后数年间的春节、暑期等档期反复重播 ，而《还珠格格》在整个亚洲的高收视则让刘丹在华人圈和东南亚受到颇多关注；同年，出演李志奇、李志希、俞小凡主演的奇幻剧《桃花渡之恋》；与此同时， 担任了高枫《永远记住你》MV的女主角；此外，她还参演了杨洁执导的古装神话剧《西游记续集》，在剧中饰演西海龙王敖闰的女儿西海龙女 。
1999年，与张卫健，顾宝明共同出演的民国剧《聊斋怪谈之打鬼救夫》播出，在剧中饰演金三少奶奶艳红；同年，与朱宏嘉、巫刚联袂主演都市爱情电影《情人假日酒店》，在片中饰演与乔岐相恋的女主角吴思渺 ，该片是刘丹生前的最后一部影视作品，于2000年2月20日上映，她则凭借该片获得第22届小百花奖优秀女演员特别奖、入围第23届大众电影百花奖最佳女主角奖 ；同年，她还参加了广东卫视综艺节目《开心无限》 。
2000年2月6日， 其生前参加的北京电视台“新千年之春——中外影视明星共贺千年庆典晚会”播出，她与李亚鹏等6位艺人一起演唱了歌曲《梦想》。
刘丹的父亲原是河南省洛阳市的公安刘志国，母亲是韩秀云 。她在家排行老二，有一个哥哥叫做刘高航。2000年9月27日，刘丹的父亲刘志国因公殉职。之后，父女俩的墓合葬在了一起。
刘丹曾经交往过一个广州男友，对方在《还珠格格第二部》开机时突然失踪了，怎么都联系不上。5个月后，对方打电话告诉刘丹他从美国回来了，但刘丹不想再受那种相思煎熬而选择放下这段感情 。
刘丹不拍戏的时候，很少化妆，平素爱穿一身白或黑色裙衫，她很少参与应酬交际等夜生活。排戏闲暇，会听听音乐，研究剧本和背背台词 。
2000年1月30日凌晨6时，刘丹正乘坐一辆车牌为桂 K61260的灰色小轿车，从汕头前往普宁进行商业演出，当该车行至广深高速公路南行87公里即深圳机场路段时，因闪避一个路面障碍物（据称为一圆状黑色音箱），致使该车失控，尾部撞上高速路左侧，坐在后排的刘丹由于未系安全带当场被抛出车外，撞在高速路护栏上，引致体内大出血，随后被送至深圳市西乡医院，后抢救无效死亡，年仅27岁 ；2月3日，刘丹的追悼会在北京八宝山举行 。