刘泊霄出生于湖南省长沙市，从小就开始学习舞蹈与武术。刘泊霄高中就读于北京舞蹈学院附中，所学专业是古典舞。2001年，获得“广东省舞蹈大赛”十佳优秀演员奖、“第四届舞蹈大赛”古典舞银奖 。刘泊霄大学就读于中央戏剧学院表演系，在校期间他不仅出演了学校组织的《风雪夜归人》、《少帅传奇》等多部话剧，还出演了歌剧《野火春风斗古城》、《万水千山情相连》 。
2007年，出演范元执导的都市情感剧《一路夫妻》，在剧中饰演董明，这是他的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈 。2008年，出演孙红雷、姚晨、祖峰主演
的谍战剧《潜伏》，在剧中饰演吴敬中的秘书小吴。2009年，与陈志朋、斓曦、解惠清合作主演古装穿越电影《玉倾城》，在片中饰演为救男主角阿东而中箭牺牲的赵国护玉者韦鹏 。
2010年，与王挺、张定涵、王伟光合作主演抗战剧《断箭》，在剧中饰演单纯善良且谈吐斯文的武朝元，从而获得更多关注 。
2011年1月，其主演的反转推理系列剧《嫌疑人X》在江苏卫视播出，在剧中饰演男主角赖川，这是他首次在影视剧中担纲男一号 ；同年，与贾青、郭家铭、张沛然合作主演抗战剧《游击兵工厂》，在剧中饰演阴险狡诈的马远图 。
2012年，与高云翔、吕夏、吕行合作主演抗战剧《刀影》，在剧中饰演有着坚定信仰和冷静头脑的国民党特工张忠 ；同年，与严宽、白冰、富大龙合作主演古装传奇剧《隋唐演义》，在剧中饰演大太保罗方 。
2013年，与张兴哲、贾青、陈廷嘉合作主演抗战剧《战地狮吼》，在剧中饰演军事素养和作战能力都很强的特战队队长佐佐木 。
2014年，与王雷、贾青、田家达合作主演抗战剧《东江英雄刘黑仔》，在剧中饰演心狠手辣的日军特工松本 ；同年，与高云翔、秋瓷炫、王鹏凯合作主演抗战剧《最后一战》，在剧中饰演国民党第4方面军仓库主任韩文虎 ；之后，与张嘉帅、王浩男合作主演根据寒北星同名小说改编的剧情电影《生命的回声》，在片中饰演男主角张境 。
2015年，与林江国、温峥嵘、李卓远合作主演抗战剧《十个连长一个班》，在剧中饰演外号“秀才”的五连连长谭海明 。
2016年，与张粟、范凌子、姬他合作主演革命战争剧《红旗漫卷西风》，在剧中饰演有情有义且有勇有谋的地下党董巍 ；同年，出演安战军执导的革命战争电影《赣水苍茫闽山红》 ；11月16日，与张丽平、浚然、曲昱曈共同出演的惊悚悬疑电影《驱魔法典》上映 。
2017年3月13日，与张云龙、阚清子共同出演的青春剧《不一样的美男子Ⅱ》播出，在剧中饰演身份神秘、并且拥有着终极超能力的大BOSS游达 。2018年，与郑凯、邓莎、于荣光共同参演的年代谍战剧《密查》播出 。
2016年12月21日，刘泊霄的儿子在长沙诞生 。
刘泊霄在电视剧《隋唐演义》中，一改往日在其它影视作品中的形象，其精彩而细腻的表演也让观众看到了他不同的一面，使原著中本来不显眼的罗方在剧中活灵活现，更使得罗方成为了该剧的一个亮点 。刘泊霄身穿白衬衫、黑色休闲西裤，系着黑领带，再搭配白色运动鞋，每个小细节都体现出了他的好品位，既干净清爽又魅力十足，使他举手投足之间都散发着成熟男人的风度。而拥有刚毅外表的刘泊霄，在电视剧《红旗漫卷西风》中将铮铮铁骨的军人形象塑造的贴合度非常高，其精湛的演技也受到了观众的喜爱（搜狐评） 。
无论是挺拔伟岸的英雄人物还是让人恨的咬牙切齿的大反派，他都能对人物特点拿捏有度，演起来也游刃有余（腾讯评） 。刘泊霄由于拍戏时很少NG，经常一条就过，因此被称作为“刘一条”。刘泊霄在多部影视剧中，凭借独具特色的表演方式以及出众的演技令不少观众都对他过目不忘 。刘泊霄在电视剧《游击兵工厂》中，凭借扎实的表演功底将角色的阴险与狡诈演绎得淋漓尽致，眼神中更是流露出重重杀机（网易评） 。