Năm 2008, Lưu Đoan Đoan được chọn làm người biểu diễn ca khúc Tôi và bạn (我和你) tại Thế vận hội Mùa hè 2008 ở Bắc Kinh.

Năm 2011, anh là MC cho chương trình Văn hóa bộ thanh xuân (文化部春晚) trên đài CCTV-1. Cùng năm, anh bắt đầu hợp tác cùng nhà sản xuất âm nhạc Đàm Toàn, trước sau sáng nhạc phim cho các bộ phim như Mỹ nhân như họa (美人如画), Đường cung mỹ nhân thiên hạ (唐宫美人天下),...

Năm 2013, trong bộ phim truyền hình Tiêu Môn Quan Kiếm (镖门) do Hoắc Kiến Hoa, Giả Thanh, Lý Kiện diễn chính, Lưu Đoan Đoan diễn vai ông chủ tiêu cục Tạ Hoàn.

Năm 2014, tham gia bộ phim Hey, Lão đầu! (嘿，老头!) với vai diễn cậu côn đồ trẻ Dịch Trí. Tháng 9 cùng năm, anh xuất hiện với vai Trương Học Thành trong bộ phim dân quốc Thiếu soái (少帅) của đạo diễn Trương Lê. Trong bộ phim này anh đóng cặp huynh đệ với diễn viên Văn Chương.

Năm 2015, tham gia diễn xuất cùng Phạm Minh, Chu Duệ, Diêm Học Tinh trong bộ phim đô thị tình cảm Thực sự muốn khiến em hạnh phúc (真心想让你幸福).

Tháng 5 năm 2016, anh sáng tác ca khúc chủ để Yêu điên cuồng cho bộ phim truyền hình Tiểu trượng phu

Ngày 19 tháng 7 năm 2017, tham gia diễn xuất trong bộ phim điện ảnh cổ trang Tú Xuân Đao 2: Chiến trường Tu La[2] do Trương Chấn, Dương Mịch, Trương Dịch, Lôi Gia Âm đóng chính. Trong phim, anh diễn vai Tín Vương, một nhân vật âm nhu mà tàn nhẫn. Ngày 31 tháng 10, anh hát ost cho phim truyền hình Đặc cần tinh anh (特勤精英) với hai bài hát Anh hùng cứu mỹ (英雄救美) và Gặp gỡ (相遇). Ngày 22 tháng 11, cùng Trương Gia Dịch, Quả Tĩnh Lâm, Lưu Bội Kì tham gia bộ phim đô thị tình cảm A Splendid Life in Beijing (生逢灿烂的日子), trong phim anh diễn thời thiếu niên Quách Tiểu Dương với tính cách trưởng thành, hiếu thảo.

Năm 2018, Lưu Đoan Đoan vào vai Hồ Nam - một chàng trai ấm áp trong bộ phim truyền hình Chúng ta đều phải sống tốt (我们都要好好的) của đạo diễn Lưu Tuyết Tùng. Cùng năm, trong phim truyền hình cổ trang quyền mưu Khánh Dư Niên của đạo diễn Tôn Hạo, Lưu Đoan Đoan diễn vai Nhị hoàng tử Lý Thừa Trạch[3] túc trí đa mưu. Ngày mùng 3 tháng 9, ca khúc Mẹ ơi, con muốn nói với người (妈妈，我想对你说) trong bộ phim Nhà phương xa (远方的家) ra mắt

Ngày 21 tháng 6 năm 2019, bộ phim điện ảnh về đề tài chiến tranh Bát tử (八子)  do Lưu Đoan Đoan diễn chính lên sóng trên các rạp chiếu toàn quốc. Nhân vật của anh tên Mãn Tể, một đứa trẻ từ đơn thuần, sợ chiến tranh trở thành một chiến sĩ cách mạnh kiên cường, dũng cảm. Đây cũng là lần đầu anh được đảm nhiệm vai trò diễn viên chính trong một tác phẩm điện ảnh. Cùng năm, bộ phim anh tham gia diễn xuất Tru Tiên (诛仙) do Tiêu Chiến, Lý Thấm, Mạnh Mỹ Kỳ đóng chính công chiếu, Lưu Đoan Đoan vai Đại sư huynh Tề Hạo.

Tháng 2 năm 2020, Lưu Đoan Đoan tham gia chương trình Thanh Lâm Kỳ Cảnh mùa 3 (声临其境第三季) với những màn biễu diễn lồng tiếng đặc sắc khiến nhiều khán giả thích thú. Sau đó, anh nhận được vai chính trong bộ phim về điều tra phá án Lôi Đình Lệnh (雷霆令) cùng các diễn viên Kim Hãn, Viên Băng Nghiên, Tần Hải Lộ. Cùng năm, trong bộ phim Tuyết trung hãn đao hành (雪中悍刀行)[4] do Trương Nhược Quân, Lý Canh Hy, Hồ Quân diễn chính, Lưu Đoan Đoan vào vai Triệu Khải, con riêng của Triệu Thuần, tuy dã tâm bừng bừng nhưng kì thực tay ngắn với chẳng được trời, không có mưu lược cũng không dám cược mệnh. Ngày 8 tháng 8, anh tham gia chương trình âm nhạc Khóa Giới Ca Vương mùa 5 (跨界歌王第五季) của đài Bắc Kinh.

Ngày 9 tháng 1 năm 2021, bộ phim truyền hình cổ trang Thương Dương Phú (上阳赋) phát sóng, Lưu Đoan Đoan diễn vai tướng quân Tống Hoài Ân. Cùng năm, anh vào vai Đông Xuyên Vương trong bộ phim truyền hình cổ trang Phong Khởi Lạc Dương (风起洛阳) do Vương Nhất Bác, Hoàng Hiên, Tống Thiến diễn chính. Tháng 8, anh tham gia chương trình Anh trai vượt mọi chông gai (Call Me By Fire/ 披荆斩棘的哥哥) và Thời niên thiếu của anh trai (Boy hood/ 哥哥的少年时代) của đài Hồ Nam TV. Sau khi Anh trai vượt mọi chông gai kết thúc, Lưu Đoan Đoan tham gia diễn chính bộ phim truyền hình Phong Khởi Tây Châu (Weaving a tale of love/风起西州)[5] cùng Hứa Ngụy Châu và Cổ Lực Na Trát.