2003年，金裕贞陪着姐姐参加比赛，意外获得最受欢迎奖，随后通过拍摄广告正式出道。2004年11月，由金正勋、朴健衡等主演的动作片《非武装地带DMZ》，这也是她首部个人作品。2005年7月，出演由朴赞郁执导的悬疑片《亲切的金子》；10月，与金秀路、黄正民、严正花等人共同出演情感片《我一生最美丽的一周》，在片中饰演身患绝症的女孩真雅，并凭借该片入围第43届韩国电影大钟奖最佳新人女演员奖。
2006年7月，搭档金瑞亨参演恐怖片《突然有一天之第四层》，在片中饰演与母亲相依为命的女孩汝珠熙；8月，与林秀晶、刘五性等人合作主演家庭片《方糖》，在片中饰演童年时代的诗恩。2008年5月，参演由李准基、韩孝周、朴施厚、李英雅等主演的古装剧《一枝梅》，在剧中饰演童年时代的卞恩彩；9月，参演由文瑾莹、朴信阳、文彩元等人主演的古装剧《风之画员》，在剧中饰演童年时代的申润福。
2009年7月，搭档薛景求、河智苑等人出演灾难片《海云台》，在片中饰演漂亮的小姑娘智敏，该片票房达1145万3338观影人次。2010年3月，参演古装历史剧《同伊》，饰演女童年时代的崔同伊；7月，与韩恩贞、张铉诚、徐信爱等人共同主演古装奇幻剧《九尾狐姐姐传》，在剧中饰演表面温顺、性格刚毅的女孩妍伊；10月，在家庭剧《欲望的火花》中，一人分饰“白仁姬”、“尹娜英”两角，并凭借该剧获得MBC演技大赏青少年演技奖。
2012年2月，主演古装剧《拥抱太阳的月亮》，在剧中饰演少女时代的许烟雨，并凭借这一角色获得MBC演技大赏最佳童星奖，以及入围第48届百想艺术大赏电视部门最佳新人女演员奖。2013年6月，作为国民代表参加显忠日缅怀会，获得由朴槿惠亲自颁发的爱国大树徽章；11月，与崔胜贤、韩艺璃、赵成夏合作主演动作片《同窗生》，在片中饰演喜欢钢琴的妹妹李惠仁。2014年3月，与金喜爱、金香奇、高我星等人共同主演悬疑片《优雅的谎言》，在片中饰演表面开朗善良暗地却孤立朋友的花妍，并凭借该片入围第35届韩国青龙电影奖最佳新人女演员奖；9月，与李帝勋、韩石奎合作主演古装剧《秘密之门》，在剧中饰演骨子里非常自由的女孩徐池谈；11月，担任SBS音乐节目《人气歌谣》固定主持人。
2015年3月，与金喜善、池贤宇、金裕贞、车善玗共同主演校园剧《愤怒的妈妈》，在剧中饰演很有正义感的女高中生吴雅兰，并凭借该剧获得MBC演技大赏十大明星奖；7月，与车太贤搭档主演奇幻喜剧片《因为爱》，在片中饰演活泼、好奇心重的女高中生斯卡利；10月，与成东镒、孙浩俊等人合作主演悬疑片《秘密》，在片中饰演杀人犯的女儿李静贤。2016年8月，搭档朴宝剑主演爱情剧《云画的月光》，在剧中饰演女扮男装的内侍、恋爱咨询专家洪乐瑥；该剧播出第四周平均收视率突破20%，位居同时段收视冠军，她也因此在韩国盖洛普2016年最闪耀的电视剧演员中排名第四，成为首位进入民调排行榜的10代演员，并凭借该剧获得KBS演技大赏中篇电视剧部门优秀演技奖。
2018年11月，与尹均相、宋再临等人合作主演爱情剧《先热情地清扫吧》，在剧中饰演不拘小节、明亮可爱的四次元少女吉五雪。2020年6月，搭档池昌旭主演浪漫爱情剧《便利店新星》，在剧中饰演“维护社会正义”的便利店打工生丁新星，她凭借该剧获得SBS演技大赏奇幻及浪漫迷你剧部门女子优秀演技奖。
2021年8月，与安孝燮、孔明、郭时旸等人合作主演古装爱情剧《红天机》，在剧中饰演性格快活大方的天才女画师红天机，并凭借该剧获得SBS演技大赏奇幻及浪漫迷你剧部门女子最优秀演技奖以及最佳情侣奖。
2022年，参加综艺《青春MT》。9月9日，参加的《青春MT》开播；10月21日，主演的Netflix青春爱情片《20世纪少女》上线。
