早年经历
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，妈妈又把她从广州军区调到身边的北京军区时，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。她接着去考电影学院和解放军艺术学院，最终考上了解放军艺术学院。
演艺经历
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。
1992年，6月参演电视剧《中国蓝》饰京京。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》，在片中饰童京京。
1997年，在李森执导的古装警世剧《大贪官和珅》中饰演和珅的二姨太玉莲。同年，在张绍林执导的历史战争剧《水浒传》中饰演拼命病关索杨雄的媳妇潘巧云。
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》。同年，与许亚军共同主演都市情感剧《怦然心动》。
2000年，6月与张庭共同主演古装喜剧《绝色双娇I》，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II》。
2001年，领衔主演杨亚洲执导的家庭情感剧《空镜子》，在剧中饰孙家大女儿孙丽，漂亮出众，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。
2003年，参加央视春晚，搭档黄宏、沈畅出演了小品《足疗》。在陈家林执导的古装历史剧《江山风雨情》饰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，搭档郭冬临出演了小品《男子汉大丈夫》。
2006年，参加央视春晚，搭档冯巩、朱军出演了小品《跟着媳妇当保姆》；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、雷恪生出演了小品《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。
2010年，与郭冬临合作表演的小品《一句话的事儿》获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。之后，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。之后，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。
社会活动
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 。