刘学义自小便离家北上求学，在完成了五年的舞蹈学习之后，因其出众的外表而转学表演，自此开启了演艺之路 。2014年，刘学义毕业于中央戏剧学院表演系本科，在校期间参与拍摄电视剧，积累表演经验 。
2011年9月22日，与陈真希、陈牧扬、陈一诺共同主演的由北京东方飞云国际影视公司出品的侦探悬疑数字电影《蝴蝶魔咒》播出，在片中饰演江天 ；10月23日，主演的由北京东方飞云国际影视公司出品，关慧卿、郭家豪、王时雨共同主演的数字电影《女人莲心》在内蒙古卫视《儿女传奇》节目首播，在片中饰演龙振邦 。
2013年，还在中戏读大三的刘学义出演了古装剧《上官婉儿》，在剧中饰演反一号武则天的侄子武三思，从而正式出道。
2014年，与左小青、郭晓东合作出演年代情感剧《我们的纯真年代》，在剧中饰演男主角涂阳的弟弟涂强 。2015年，与景甜、耿乐、聂远合作主演古装剧《大玉儿传奇》，在剧中饰演因钟情于大玉儿而与多尔衮产生矛盾的蒙古察哈尔林丹汗之子额哲 。
2016年1月，主演由弗拉基米尔·缅绍夫执导的奇幻爱情电影《冰美人》，在片中饰演为寻找失踪的爱人嘎丽娅而四处奔走直至白发苍苍的痴情男子张梦生 ；7月，与李易峰、赵丽颖、杨紫合作主演古装玄幻剧《青云志》，在剧中饰演足智多谋、城府颇深的青云门第一弟子萧逸才 ；8月，与杨紫、秦俊杰合作主演传奇清装剧《龙珠传奇之无间道》，在剧中饰演吴应麒一角 。
2017年4月，与任嘉伦、李曼合作主演热血谍战剧《秋蝉》，在剧中饰演林小庄一角 ；9月，在与张睿、李曼合作主演的青春热血神话IP大剧《封神之天启》中饰演商朝太子殷郊。
2018年7月，与杨紫、任嘉伦合作主演青春神话剧《天乩之白蛇传说》播出，在剧中饰演邪魅狂狷的妖帝斩荒和仙姿出尘的天帝两个角色。2019年3月，与成毅、袁冰妍合作主演东方神话仙侠钜制《琉璃》在横店开机，在剧中分别饰演昊辰和白帝两个角色 ；同年6月，与侯明昊、成毅等主演的超级季播剧《怒海潜沙&秦岭神树》播出，在剧中饰演解家当家解雨臣 ；同年12月，领衔主演古装甜宠剧《清落》，在剧中饰演风苍国皇子夜修独 。
2020年，与周冬雨、许凯合作主演古装言情仙恋剧《千古玦尘》，剧中饰演天启和净渊 ；同年8月，与成毅、袁冰妍合作主演的东方玄幻仙侠剧《琉璃》在在优酷、芒果TV播出 。
2021年1月，领衔主演电视剧《夜色暗涌时》，饰演莫灵泽 。
2015年，参加中国艺术星光杂志全明星慈善晚会。
刘学义在玄幻剧《青云志》中饰演的萧师兄让原著党圆了梦，角色魔化后更加吸引观众眼球，让人印象深刻，他将角色由正到邪的转变演绎得渐入佳境，诠释更加游刃有余，在表演上有了更多的突破表现。刘学义并没有过太多演戏经验，主演过的影视剧中不乏反派角色，而现实生活中的他却是一个真实而洒脱的人 。（网易娱乐评）
刘学义有着帅气的外形以及过硬的演技，在生活中是个阳光大男孩，喜欢美食热爱生活，还是个不折不扣的段子手。为满足粉丝的要求，他会主动分享自己的点滴生活，让粉丝看到了他简单而真实的一面。刘学义的工作繁忙，但热爱旅行的他却大部分时间都宅在家里，只因想多陪陪父母，保持着一颗赤子之心 。（腾讯娱乐评）
刘学义因玄幻剧《青云志》而备受关注，他在休闲风写真中则暖男范儿十足，迷人的酒窝，透着一丝青春洋溢的气息，时而帅气逼人，时而温暖照人、调皮惹人爱 。（新浪娱乐评）