劉泊霄出生于湖南省長沙市，從小就開始學習舞蹈與武術。劉泊霄高中就讀于北京舞蹈學院附中，所學專業是古典舞。2001年，獲得“廣東省舞蹈大賽”十佳優秀演員獎、“第四屆舞蹈大賽”古典舞銀獎 。劉泊霄大學就讀于中央戲劇學院表演系，在校期間他不僅出演了學校組織的《風雪夜歸人》、《少帥傳奇》等多部話劇，還出演了歌劇《野火春風斗古城》、《萬水千山情相連》 。

2007年，出演范元執導的都市情感劇《一路夫妻》，在劇中飾演董明，這是他的首部電視劇作品，從而正式進入演藝圈 。2008年，出演孫紅雷、姚晨、祖峰主演

2009年，與陳志朋、斕曦、解惠清合作主演古裝穿越電影《玉傾城》，在片中飾演為救男主角阿東而中箭犧牲的趙國護玉者韋鵬 。

2010年，與王挺、張定涵、王偉光合作主演抗戰劇《斷箭》，在劇中飾演單純善良且談吐斯文的武朝元，從而獲得更多關注 。

2011年1月，其主演的反轉推理系列劇《嫌疑人X》在江蘇衛視播出，在劇中飾演男主角賴川，這是他首次在影視劇中擔綱男一號 ；同年，與賈青、郭家銘、張沛然合作主演抗戰劇《游擊兵工廠》，在劇中飾演陰險狡詐的馬遠圖 。

2012年，與高云翔、呂夏、呂行合作主演抗戰劇《刀影》，在劇中飾演有著堅定信仰和冷靜頭腦的國民黨特工張忠 ；同年，與嚴寬、白冰、富大龍合作主演古裝傳奇劇《隋唐演義》，在劇中飾演大太保羅方 。

2013年，與張興哲、賈青、陳廷嘉合作主演抗戰劇《戰地獅吼》，在劇中飾演軍事素養和作戰能力都很強的特戰隊隊長佐佐木 。

2014年，與王雷、賈青、田家達合作主演抗戰劇《東江英雄劉黑仔》，在劇中飾演心狠手辣的日軍特工松本 ；同年，與高云翔、秋瓷炫、王鵬凱合作主演抗戰劇《最后一戰》，在劇中飾演國民黨第4方面軍倉庫主任韓文虎 ；之后，與張嘉帥、王浩男合作主演根據寒北星同名小說改編的劇情電影《生命的回聲》，在片中飾演男主角張境 。

2015年，與林江國、溫崢嶸、李卓遠合作主演抗戰劇《十個連長一個班》，在劇中飾演外號“秀才”的五連連長譚海明 。

2016年，與張粟、范凌子、姬他合作主演革命戰爭劇《紅旗漫卷西風》，在劇中飾演有情有義且有勇有謀的地下黨董巍 ；同年，出演安戰軍執導的革命戰爭電影《贛水蒼茫閩山紅》 ；11月16日，與張麗平、浚然、曲昱曈共同出演的驚悚懸疑電影《驅魔法典》上映 。

2017年3月13日，與張云龍、闞清子共同出演的青春劇《不一樣的美男子Ⅱ》播出，在劇中飾演身份神秘、并且擁有著終極超能力的大BOSS游達 。2018年，與鄭凱、鄧莎、于榮光共同參演的年代諜戰劇《密查》播出 。

2016年12月21日，劉泊霄的兒子在長沙誕生 。

劉泊霄在電視劇《隋唐演義》中，一改往日在其它影視作品中的形象，其精彩而細膩的表演也讓觀眾看到了他不同的一面，使原著中本來不顯眼的羅方在劇中活靈活現，更使得羅方成為了該劇的一個亮點 。劉泊霄身穿白襯衫、黑色休閑西褲，系著黑領帶，再搭配白色運動鞋，每個小細節都體現出了他的好品位，既干凈清爽又魅力十足，使他舉手投足之間都散發著成熟男人的風度。而擁有剛毅外表的劉泊霄，在電視劇《紅旗漫卷西風》中將錚錚鐵骨的軍人形象塑造的貼合度非常高，其精湛的演技也受到了觀眾的喜愛（搜狐評） 。

無論是挺拔偉岸的英雄人物還是讓人恨的咬牙切齒的大反派，他都能對人物特點拿捏有度，演起來也游刃有余（騰訊評） 。劉泊霄由于拍戲時很少NG，經常一條就過，因此被稱作為“劉一條”。劉泊霄在多部影視劇中，憑借獨具特色的表演方式以及出眾的演技令不少觀眾都對他過目不忘 。劉泊霄在電視劇《游擊兵工廠》中，憑借扎實的表演功底將角色的陰險與狡詐演繹得淋漓盡致，眼神中更是流露出重重殺機（網易評） 。