牛莉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。当她事业正旺,妈妈又把她从中国人民解放军广州军区调到身边的中国人民解放军北京军区时,射击队解散了。牛莉决定报考艺术院校。她先考了中央戏剧学院,结果初试时就被刷下来。她接着去考北京电影学院和解放军艺术学院,最终考上了解放军艺术学院。
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。牛莉1992年6月,参演电视剧《中国蓝》,在剧中饰演京京。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》,在剧中饰演电视台主播王畅。1995年12月,领衔主演顾晶执导的犯罪题材剧《重案探组》,在剧中饰演秦小乔。1996年10月,与巫刚联袂主演励志电影《归国留学生》,在片中饰演童京京。1997年,参演李森执导的古装警世剧《大贪官和珅》,在剧中饰演和珅的二姨太玉莲；同年,参演张绍林执导的历史战争剧《水浒传》,在剧中饰演病关索杨雄的媳妇潘巧云。牛莉绝色双娇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》,在剧中饰演姚蔚兰；同年,与许亚军共同主演都市情感剧《怦然心动》。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。2001年,继续出演《绝色双娇2》；同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,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。牛莉2003年,参加央视春晚,搭档黄宏,沈畅出演小品《足疗》；同年,在陈家林执导的古装历史剧《江山风雨情》饰演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,搭档郭冬临出演小品《男子汉大丈夫》。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。2007年,参加央视春晚,搭档黄宏,雷恪生出演小品《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。牛莉写真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；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；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,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；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。2019年12月1日,主演的都市情感轻喜剧《热爱》播出；12月20日,出演的都市律政剧《精英律师》开播。2020年,主演家庭都市剧《嗨,什刹海》,剧中饰演庄志存的前妻惠心。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。2022年3月27日,出演的近代历史传奇剧《一代洪商》在中央电视台电视剧频道播出；5月3日,参演的电视剧《平凡之路》在腾讯视频全网独播；6月7日,主演的都市情感轻喜剧《林深见鹿》播出。2023年9月9日,参演的电影《不要走散好不好》定档上映。11月3日,友情出演的电影《普通男女》上映。
1997年牛莉结婚,牛莉的老公是圈外人,在牛莉刚从解放军艺术学院毕业时两人就相识,结婚后一直恩爱有加。2007年生下一女。
2010年央视虎年春晚后,牛莉拍卖小品《一句话的事儿》中那件粉红色大衣,所得善款将捐助给中国青少年发展基金会,也是为河北承德“牛莉希望小学”募集善款。2010年3月,牛莉呼吁大家一起参与“地球一小时”活动。
个性活泼开朗的牛莉,一直以出演性格鲜明,干练泼辣的现代女性为主。牛莉性情开朗,可她偏爱细腻的情感戏,渴望真诚待已待人。