2013年5月，还在读高一的刘昊然被陈思诚选中，得到了主演电影《北京爱情故事》的机会，并以此开始了他的演艺之路。凭借在片中自然真挚的表演获得第21届北京大学生电影节的最佳新人奖提名，该片在中国内地票房达4.06亿。5月，参与录制《快乐大本营》六一特别节目《少年，少年》。
2015年2月9日，加盟湖南卫视国防教育特别节目《真正男子汉》，3月，刘昊然凭借《北京爱情故事》被影迷票选为2014年金票根影迷嘉年华“气质新星”，获得了他演艺生涯的第一个奖项，5月，主演悬疑喜剧电影《唐人街探案》，饰演天才少年秦风，刘昊然作为双男主角之一和王宝强组成唐人街神探搭档，并凭借该电影获得第20届华鼎奖中国最佳新人奖和2016中国电影指数盛典最佳银幕新锐演员奖，并入围第19届上海国际电影节亚洲新人奖最佳男演员和第24届上海影评人奖最佳新人男演员奖。该片获得第73届威尼斯国际电影节“威尼斯日”特别推荐和展映，中国内地票房超过8.23亿元。9月，主演根据同名小说改编的校园青春网络剧《最好的我们》，饰演男主角“学霸”余淮，该剧在爱奇艺点击量达到25.7亿。12月，同时登上《时尚先生Esquire》电影特刊封面和《芭莎男士》正刊封面。12月5日，刘昊然获得尖叫2016爱奇艺之夜年度最受欢迎新人奖。
2016年3月，受邀成为爱奇艺自制纯网综艺《大学生来了 》节目形象大使，并代表节目组走进全国大学校园招幕“特赞队员”。4月10日，担任中国电影导演协会2015年度表彰大会主持人。5月11日，受邀担任第十四届“半夏的纪念”北京国际大学生影像展形象推广大使。5月23日，刘昊然参加共青团中央、中央电视台主办的爱国歌曲“建党95周年 ”活动节目录制，在天安门广场高歌《我们是共产主义接班人 》和《共青团员之歌》。7月10日，成为红米手机代言人。8月1日，作为主演出席电影《建军大业 》开机发布会，刘昊然在片中饰演“粟裕”，作为“建国三部曲 ”系列的第三部，该影片作为献礼片在2017年建军90周年上映。8月15日，刘昊然进组拍摄陈凯歌执导的魔幻电影《妖猫传 》。9月1日，刘昊然成为欧莱雅集团新进品牌“淳萃UltraDOUX ”呵护大使并出席了发布会；同日，成为韩束“一叶子 ”新晋代言人。
