2018年5月17日，刘浩存被导演张艺谋确定为《一秒钟》的女主角；7月，她正式进入电影《一秒钟》剧组，开始自己的演艺生涯 [2]  [10]  。2019年1月，该片进入柏林电影节主竞赛单元 [11]  ；同年11月，她还与于和伟、秦海璐、张译联袂主演了由张艺谋执导的谍战电影《悬崖之上》 [12]  ，该片于2021年4月30日上映。 [35] 

2020年，刘浩存入选央视“星辰大海”青年演员优选计划；11月27日，她与张译、范伟共同主演的电影《一秒钟》上映，同时，她还为该片演唱了同名主题曲 [3]  [13]  ；11月28日，参加第33届中国电影金鸡奖闭幕式暨颁奖典礼，演绎歌曲《一秒钟》述说对电影的热爱 [14]  。12月6日，凭借主演的首部电影获得TATLER BALL尚流新星奖项 [15]  ；12月30日，获得电影频道M榜年度最具潜力演员荣誉 [5]  ；12月31日，其主演的剧情片《送你一朵小红花》上映，她在片中饰演了身患癌症的乐观女孩马小远，凭借该片成为票房过10亿的“00后”女演员 [6]  [16]  。

2021年1月，刘浩存分别成为巴黎欧莱雅、卡地亚和丽曦尚品滋补燕窝代言人 [17-19]  。1月5日，凭借在《一秒钟》和《送你一朵小红花》中的惊艳表现，荣获2021澳涞坞影评人协会评选的首届金榆花奖·2020年华语电影大奖最佳新锐影人奖 [20]  ；1月10日，受邀参加2020腾讯娱乐年度盛典，并斩获2020腾讯娱乐白皮书年度电影新演员 [21]  ；1月14日，受邀做客搜狐娱乐最新明星互动体验式节目《我的同事是明星》 [22]  ；1月25日，荣获由百度APP主办的2020百度娱乐人物年度最佳电影新人奖 [23]  。1月31日，刘浩存作为国宝金杖的守护人亮相CCTV3大型文博探索节目《国家宝藏第三季》，以一身精灵造型饰演金杖杖灵，并为前世传奇献唱单曲《飞鸟和鱼》，这是她的古装首秀，也是综艺首秀 [24-25]  。2月，刘浩存成为中兴手机代言人，并特邀出演由张艺谋执导的全新品牌 TVC《往前走，一直在》 [26]  ；2月5日，作为助梦嘉宾亮相CCTV3互动类综艺节目《我要上春晚》特别节目《直通之夜》 [27]  ，并表演歌曲《送你一朵小红花》 [28]  ；2月11日，参加2021年中央广播电视总台春节联欢晚会，与迪丽热巴等表演歌曲《奔跑的青春》 [29]  ；2月18日，荣获由电影杂志《中国银幕》主办的“2020中国银幕风云榜”年度新人演员奖 [30]  ；2月26日，参加2021年中央广播电视总台元宵晚会，与李沁、金晨、王俊凯、陈立农一同演唱歌曲《出发吧，春天》 [31]  ；2月28日晚，参加新浪2020微博之夜，荣获“微博年度期待演员”荣誉 [32]  。3月，刘浩存成为奥利奥新生代大使