2012年7月30日，出演由陈赫、娄艺潇、孙艺洲等主演的都市爱情喜剧《爱情公寓3》，因饰演甜美女主播“诺澜”一角而被观众熟知。

2013年，与于震搭档主演的谍战剧《利箭行动》在元旦上星播出，在剧中饰演女特工林筱雨，一改柔弱形象，成为身怀绝技、冰雪聪明的美丽地下工作者；1月14日，出演的古装剧《隋唐演义》；8月20日，在传奇剧《决战燕子门》中饰演塑造了“马晓婉”这一俏皮可爱的形象；11月，出演的家庭情感剧《家和万事兴》，在剧中饰演了一位为爱疯狂不惜一切代价的偏执女人。

2014年1月1日，主演都市爱情电影《201413》，在片中饰演方小乔，颠覆形象，化身都市抹布女的她在优越的物质条件与“廉价”的爱情之间犹豫不决；继续主演的《利箭行动》第二部《利箭纵横》作为开年剧在元旦上星播出；1月17日，继续出演《爱情公寓4》，剧中温柔体贴的她捲入“曾小贤”与“胡一菲”的感情，并且渐渐得到“曾小贤”的青睐；6月13日，中途加入江苏卫视推出的明星真人秀《花样年华2》，在节目中体验苗寨乡村生活；7月21日，出演都市爱情剧《爱情回来了》，饰演林晓娅，时尚靓丽的她痴情于宠物医生方思齐；8月2日，参演开心麻花团队主演的系列爆笑喜剧《香瓜七兄弟2》，饰演美艳高管“洛小夕”，首次以短髮造型亮相萤屏；10月20日，作为主理人，举行其设计的某珠宝品牌的发布会；11月27日，主演的根据手游改编的微电影《不败青春》上线，片中演绎励志IT女。

2015年1月15日，主演了乐视自製的爱情喜剧《屌丝日记》；1月28日，出演古装探案喜剧《医馆笑传》，饰演“谜一样”的女子顾倾城，容貌精緻、性格多面；1月30日，主演改编自CS游戏的动作科幻电影《时光大战》；2月9日，携99乐团推出情人节定製单曲《因为是你》；5月12日，在年代悬疑情感剧《深宅雪》中变身身世坎坷的悲情女孩“芳儿”；5月29日，出演的民国爆笑悬疑剧《煮妇神探》；9月16日，主演的改编自真实故事的抗战剧《历史永远铭记》在央视一套播出，饰演马海德的妻子苏菲，展现延安时期的红色浪漫恋曲；11月11日，出演湖南卫视播出的家庭伦理剧《家和万事兴》，在剧中饰演宋香，为爱疯狂不惜一切代价的偏执女人。

2016年1月8日，与李小璐、贾乃亮共同出演的民国爆笑悬疑剧《煮妇神探》，饰演江湖侠女李亚飞，苟吉祥的同门师妹。2月1日，她出演古装剧《寂寞空庭春欲晚》，饰演玉箸，内心善良，身负使命。10月24日，主演网路剧《实习侠》，她在这部职场喜剧中饰演莽撞热情的中二美少女“端木木”。12月11日，参演都市爱情剧《放弃我，抓紧我》，饰演厉薇薇的设计助理珍妮。

2017年1月2日，出演古装剧《孤芳不自赏》，饰演凉国娇燕楼的老闆娘燕十三娘，风情万种，妩媚动人。

2017年5月26日，参与录製的热门网路综艺《开心相对论》播出，刘萌萌同综艺天王吴宗宪、犀利毒舌张绍刚、飞天小舞女刘萌萌、才艺小王子Fizz余斌、万年背景王陈汉典、霸气御姐李彩桦同台献艺。上演了温柔中有知性的範本。

2017年10月19日，参演的古装剧《那片星空那片海2》在湖南卫视热播。

2017年11月16日《皮囊之下》开机，刘萌萌“换脸”引发悬案。

2019年1月15日，刘萌萌《长安诺》杀青，隔日，《长安诺》正式曝光人物剧照，刘萌萌饰演贺兰绾音，抚扇浅笑演绎宫闱情深。

2017年，刘萌萌被拍到与演员白宇共度情人节，两人恋情正式曝光。

2015年7月26日，参加由时尚芭莎发起的第二届“公益星设计”公益项目启动仪式，刘萌萌作为公益形象大使之一设计了以“爱巢”为主题的公益首饰，该活动致力于儿童公益慈善事业，改善山区儿童艺术教育；10月，刘萌萌携时尚芭莎与芭莎公益慈善基金、荷风艺术基金工作人员组成的爱心小组奔赴河北省安新县，走进端村国小及学生家中捐助艺术梦想包并深入孩子家中探访，给热爱绘画的小朋友们带来美术图书、画具等美育用品。

凭藉《爱情公寓3》“诺澜”一角走红的刘萌萌气质独特、长相甜美，而她对这样一个时刻散发着邻家女孩气息、外型清新亮丽的角色的演绎也得到观众认可。在《爱情公寓4》中，萌萌对角色精湛的刻画，令观众看到了更富故事性与真实感的“诺澜”，有人称讚其表演信手拈来、娴熟自然，剧中刘萌萌塑造的“诺澜”温柔贤惠、为人亲和善良，尤其是她对“曾小贤”那种无私的爱为其赢得“完美女人”的称号。生活中的刘萌萌却是个小清新女生，甜美可人的她受到不少人的追捧，因此被称为宅男女神（中国时刻网、搜狐娱乐评）。

在抗战剧《历史永远铭记》中，刘萌萌饰演的人物苏菲真实质朴，引发当代女性情感上的共鸣。作为当时较为轰动的中西合成式延安恋曲，刘萌萌的内心感受和温润的倾诉矛盾，使人移情入剧（新浪娱乐评）。