早年經曆
劉曉彤的家在吉林延邊，小的時候家裡人都很喜歡排球，而且劉曉彤身高已經很高，于是便讓她接觸了排球這項運動。因為當地沒有高水平的專業排球隊，已在排球場上表現出良好潛力的劉曉彤在12歲時被有排球運動傳統的北京101中學相中而來到北京，很快就被北京女排“挖”了過去，成為一名專業排球運動員。
16歲被林榆廷教練選入北京女排、26歲時成為裡約奧運會冠軍隊的一員、29歲時以隊長的身份舉起中國女子排球超級聯賽的冠軍獎杯。
2009年和2011年，劉曉彤都進入國家隊參加了試訓，但由于技術有不足，未能在國家隊站穩腳跟。劉曉彤在北汽女排獲得蔡斌教練的指導和培養，從過去一個隻注重進攻的主攻，慢慢參與接一傳，在北京隊參與三輪一傳。
2013-14賽季，由于隊友張碩的受傷，劉曉彤開始承擔六輪一傳。
運動生涯
國家隊
2013年入選郎平執教的國家隊，身穿15号戰袍，參加了中國國際女排精英賽深圳站，在對古巴隊的比賽中首次首發打滿全場，在進攻、一傳以及發球方面表現不俗。2013年全運會後，盡管繼續入選了國家隊，但大獎賽澳門站結束後，漸漸的淡出了國家隊。
2014年中國女排重新組隊，劉曉彤再次入選。參加了瑞士女排精英賽、中國國際女排精英賽和世界女排大獎賽。在這期間，郎平教練給予了劉曉彤更多的上場表現機會，劉曉彤也沒有浪費機會，均表現不俗。
2014年世界女排大獎賽總決賽通過獲得了打主力的機會，賽後的單項技術排名上，在最佳扣球榜上，劉曉彤高居榜首，并入選賽後的最佳陣容，成為本次比賽的最佳主攻。
2016年8月21日，在裡約奧運會女排決賽中，中國隊戰勝塞爾維亞隊，劉曉彤随隊獲得金牌。
2017年9月10日，随隊獲得2017年女排大冠軍杯賽冠軍。這也是中國女排繼2001年後時隔16年再度問鼎該項賽事。
2018年8月6日，劉曉彤入選第十八屆亞運會中國體育代表團名單。 9月1日，2018年雅加達亞運會女排決賽，劉曉彤首發出場，中國女排3-0完勝泰國，三局比分分别為25-19、25-17、25-13，中國隊8戰全勝時隔8年再奪冠，這也是中國女排史上第8次亞運登頂。
2018年9月24日，入選女排世錦賽中國隊14人名單，出征2018年世界女排錦标賽。
2019年世界女排聯賽中國香港站的較量全部結束。收官戰對陣勁敵意大利，在大比分0-2落後的情況下咬牙頂住，苦戰五局後把握住戰機3-2逆襲。中國隊不僅實現世聯預賽7連勝在香港站全勝問鼎，也成功終結了對陣意大利6連敗的頹勢。第二局11-18落後的中國二換三派上姚迪和劉曉彤。
2019女排世聯賽總決賽小組賽收官日中國女排3-1力挫意大利，迎來總決賽首勝，本場比賽主攻劉曉彤和劉晏含均斬獲18分。
2019年9月6日，入選女排世界杯中國女排25人名單。9月9日，國際排聯公布2019女排世界杯中國女排16人大名單，劉曉彤入選。 9月29日，随主教練郎平指導的中國女排獲得2019年女排世界杯冠軍。
2020年12月30日，入選國家女排2021年集訓運動員名單。
2021年7月5日，劉曉彤入選中國女排東京奧運會12人大名單。
2021年，劉曉彤入選2020年東京奧運會中國體育代表團排球項目運動員名單。
俱樂部
2017-2018中國女排超級聯賽決賽，由上海光明優倍女排主場迎戰天津渤海銀行女排。經過五局苦戰，上海隊2-3負于天津隊，總比分3-4獲本賽季聯賽亞軍，天津女排摘得中國排球超級聯賽元年首冠，天津隊李盈瑩轟下43分，聯賽總得分達到804分，劉曉彤貢獻20分。
2018-2019賽季中國女子排球超級聯賽決賽第二回合。面對衛冕冠軍天津渤海銀行，終以3-1力克對手，赢下本場比賽後，北汽女排在決賽5場3勝制的較量中以總比分2-0占先。
2018-2019賽季中國女排超級聯賽結束總決賽第三回合較量，北京汽車女排主場以3-1擊敗天津渤海，在五場三勝制的決賽中以總比分3-0獲勝，曆史上首次奪得冠軍。本場比賽，北汽女排四位選手得分上雙，魯爾克26分、劉曉彤19分。
亞俱杯
2019女排亞俱杯決賽在天津打響，天津渤海銀行女排對陣衛冕冠軍泰國春武裡至尊女排。經過四局較量，天津隊最終以3-1戰勝對手，時隔7年後再次奪冠。本屆亞俱杯，龔翔宇、劉曉彤兩名國手的加盟讓天津女排實力大增。
