2015年7月，在由刘诗诗、郑恺主演的都市情感电视剧《那年青春我们正好》中饰演肖 小军的发小高旗。10月，参演根据郭敬明同名小说改编的玄幻电视剧《幻城》，饰演冰族属国熊族王子辽溅，为了王和胜利放弃作为战士的尊严，舍生忘死 。

2016年5月9日，刘冬沁出席电视剧《那年青春我们正好》发布会。10月7日，主演的都市科幻网络剧《我不是妖怪》在优酷土豆上线，在剧中刘冬沁饰演狂族四大主帅成员之一陈可破，拥有不死之身。

2017年1月28日，刘冬沁参加以“欢动万家夜，爱暖中国心”为主题的北京台春节联欢晚会，与李晨、杨旭文和梁译木等人演唱歌曲《冲向巅峰》。之后，主演青春电影《草样年华》。

2018年1月31日，以滑雪为题材的青春悬疑偶像剧《东山晴后雪》在芒果TV上线，在剧中刘冬沁饰演滑雪教练韩东山，与阳光善良的滑雪场VIP接待员赵晓晴之间围绕悬疑、寻亲、复仇而展开的一段先甜后虐的爱恋纠葛。3月29日，主演的都市青春偶像剧《恋与偶像》在爱奇艺上线，刘冬沁所饰演的赫连荣光是个街舞技能出众、个性张扬的队长。6月15日，悬疑刑侦网络剧《法医秦明2清道夫》在搜狐视频上线，刘冬沁饰演秦明，开启探案的故事。

2019年1月17日，与侯明昊、祝绪丹等搭档主演悬疑探案剧《心宅猎人》，刘冬沁在剧中饰演心理医生秦一恒，是一名留洋归来学霸级人物，外表看似高冷难以接近，内心却十分讲义气。之后，与阮经天和宋祖儿搭档主演美食题材都市青春剧《舌尖上的心跳》。

2021年9月19日，主演的青春校园电影《我的青春有个你》全国上映，饰演男主角邱飞。2021年，主演献礼建党100周年的历史剧情电影《1921》，在片中饰演施存统。