1984年，牛莉进入花样游泳队，1986年获得全国第一届女子花样游泳团体冠军。15岁转入八一射击队，与
王义夫及
李对红做过队友，1990年获得全军射击冠军。
1993年，出演电视剧《我爱我家》，在剧中饰演小林，《我爱我家》在豆瓣获得9.4的高分（截止至2023年2月），曾创下收视率第一、重播率第一等佳绩，凭借此剧牛莉走进了观众和导演的视线。
1999年，牛莉与张国立、王菁华等人合作的电视剧《
聊斋先生》播出，一人分饰颜如玉和圣花两角。
2000年，和
张世联合出演20集轻喜剧《
男人不难嫁》，一人分饰两角——金娣和林海青；6月，与
张庭、
焦恩俊共同主演古装喜剧《
绝色双娇》，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，进一步打开了知名度。
2001年，领衔主演
杨亚洲执导的家庭情感剧《
空镜子》，在剧中饰演漂亮出众的孙家大女儿孙丽，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。
2006年，参加央视春晚，搭档
冯巩、
朱军出演小品《
跟着媳妇当保姆》；同年，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。
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》获得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。
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；同年，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，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；同年，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《
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。
2021年2月7日，与
姜武领衔主演的都市轻喜剧《
小幸福》在湖北卫视长江剧场播出，她在剧中饰演罗美娟；11月12日，参演的抗疫题材电影《
武汉，你好！》在爱奇艺独家播出。
2023年5月3日，参演的电视剧《平凡之路》在中央电视台电视剧频道（CCTV-8）黄金强档播出，并在腾讯视频全网独播，她在剧中饰演唐美艳；12月22日，特邀出演的《
不讨好的勇气》杀青。