1991年,9月首次出演历史战争电影《大决战》,在片中饰演小新娘,自此开始演艺事业。
1992年,6月参演电视剧《中国蓝》饰京京。1993年,10月参演电视剧《边区灯火》。
1994年,11月参演王冀邢执导的历史战争剧《布尔什维克兄弟》,在剧中饰电视台主播王畅。
1995年,12月领衔主演顾晶执导的犯罪题材剧《重案探组》,在剧中饰秦小乔。
1996年,10月与巫刚联袂主演励志电影《归国留学生》,在片中饰童京京。
1997年,在李森执导的古装警世剧《大贪官和珅》中饰演和珅的二姨太玉莲。同年,在张绍林执导的历史战争剧《水浒传》中饰演拼命病关索杨雄的媳妇潘巧云。
1999年,3月参加中央电视台和空军政治部合拍的家庭伦理剧《壮志凌云》。同年,与许亚军共同主演都市情感剧《怦然心动》。
2000年,6月与张庭共同主演古装喜剧《绝色双娇I》,在剧中饰演扬州城新任知府秦中玉之女秦采青,该剧在BTV首播后让观众认识了牛莉。2001年继续出演《绝色双娇II》。
2001年,领衔主演杨亚洲执导的家庭情感剧《空镜子》,在剧中饰孙家大女儿孙丽,漂亮出众,大学毕业后在一家旅行社工作 。凭借该剧提名第22届中国电视剧飞天奖优秀女演员奖和第20届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖 。
2003年,参加央视春晚,搭档黄宏、沈畅出演了小品《足疗》 。在陈家林执导的古装历史剧《江山风雨情》饰皇太极的庄妃孝庄文皇后。
2004年,与周杰合作主演反黑题材剧《非常道》,在剧中饰演刑警队骨干沈婷。
2005年,参加央视春晚,搭档郭冬临出演了小品《男子汉大丈夫》。
2006年,参加央视春晚,搭档冯巩、朱军出演了小品《跟着媳妇当保姆》;参演张新建 、孔笙联合执导的古装创业剧《闯关东》,在剧中饰演朱开山大儿子朱传文的媳妇那文,本是清朝皇族的格格,后因为家道中落流落到元宝镇和朱传文走到了一起。
2007年,参加央视春晚,搭档黄宏、雷恪生出演了小品《考验》。
2008年,与董勇合作主演杨竞泽执导的年代情感剧《祸福相依》,在剧中饰演司机黄涛的未婚妻胡玉华。
2009年,联合贾一平主演平民情感话题喜剧《完美婚礼》,在剧中饰演梦想成为一名优秀婚礼主持人的婚庆公司的职员田可馨。
2010年,与郭冬临合作表演的小品《一句话的事儿》获2010年虎年春节联欢晚会观众最喜爱的春晚节目小品类二等奖。12月,参演张国立自导自演的家庭伦理剧《养父》在沈阳广播电视台新闻频道首播。同年,出演高亚麟执导的情景喜剧《搞笑一家人》。同年,在情感伦理剧《满秋》中饰演小梅的亲生母亲吴媚。
2011年,与冯巩合作表演的相声剧《还钱》获得2011年兔年春节联欢晚会我最喜爱的春节晚会节目一等奖 。之后,在史晨风执导的都市情感剧《幸福生活在招手》中饰演能干强势,刀子嘴豆腐心的周雨晴。同年,客串李欣凌执导的少儿家庭剧《蓝天花朵》。同年,主演钟少雄执导现代都市剧《房战》 。
2012年,在宋海波、高希希联合执导的空军史诗战争剧《白云飘飘的年代》中饰演国民党起义英雄薛建生的妹妹,航校医院院长薛华北。之后,参演梦继执导的家庭轻喜剧《宝贝》。同年,在当代都市剧《媳妇的美好宣言》中饰演牙医余快的前妻华婷露 。
2013年,3月领衔主演龚艺群执导的军旅情感剧《军婚》 。同年,搭档林永健主演王小康执导的家庭伦理剧剧《新女婿时代》,凭借该剧获得首届央视中国电视剧年度明星盛典十佳演员称号 。
2014年,加盟浙江卫视的喜剧选秀《中国喜剧星》担任导师。同年,与陈宝国、冯远征联袂主演张新建执导的农民史诗剧《老农民》,在剧中饰演坚强勇敢的老农民灯儿 ,凭借该剧获得第11届中美电影节最佳女主角奖。
2015年,领衔主演延庆执导的都市情感剧《麻辣芳邻》 。12月23日,作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
2016年6月,牛莉以出品方代表的身份参加电影《情追不舍》的发布会 。
2017年2月,与张嘉译合作的都市情感电视剧《美好生活》在美国开机 ,六月杀青。