2004年，沈恩敬出演爱情喜剧《想结婚的女人》，饰演女主人公李欣宜的幼年时期，以演员身份正式出道。2006年，在古装剧《黄真伊》中饰演幼年黄真伊，凭借该剧获得KBS演技大赏青少年演技赏。
2007年，与千正明合作主演恐怖电影《韩塞尔与葛雷特》，生活在森林中的神秘女孩英姬。2008年，凭借爱情剧《太阳的女子》获得KBS演技大赏青少年演技赏。2009年，与南相美、柳承龙合作主演恐怖电影《不信地狱》，饰演行踪诡异的少女素珍。
2010年4月，主演喜剧电影《你好杀人犯》，饰演从小就梦想成为钢琴家的女孩夏林，凭借该片获得第47届百想艺术大赏和第47届韩国电影大钟奖最佳新人女演员奖提名。9月，主演由张镇执导的喜剧电影《竞猜王》，饰演摆脱忧郁症的困扰、变得积极乐观的金茹娜，凭借该片获得第31届韩国青龙电影奖最佳新人女演员提名。
2011年5月，首次担纲女一号，与姜素拉、闵孝琳合作主演喜剧电影《阳光姐妹淘》，饰演由于方言浓重而羞于开口的任娜美，并亲自演唱了片中的多首歌曲，该片上映后票房达737万观影人次，位列2011年韩国票房榜第二位，沈恩敬凭借该片入围第48届韩国电影大钟奖最佳女主角，却因她无法出席颁奖礼而在颁奖之前被从提名名单上剔除。10月，凭借短篇电影《浪漫天堂》获得第48届韩国电影大钟奖最佳女配角奖。
2012年，与李秉宪、韩孝周合作主演古装电影《光海，成为王的男人》，饰演由于地方官吏的横行霸道而被迫入宫的纯情宫女思月。
2014年1月，主演电影《奇怪的她》，饰演重返20岁的“老奶奶”吴斗丽，该片票房达865万人次，沈恩敬凭借该片获得第50届百想艺术大赏电影部门最佳女主角奖、第19届春史电影节最佳女主角奖等多个奖项。10月，与周元、朴宝剑合作主演浪漫爱情剧《明日如歌》，饰演天才钢琴少女薛明日。
2015年7月，与池昌旭合作主演犯罪动作电影《被操纵的城市》，饰演天才黑客汝郁。9月，与李昇基合作主演古装爱情电影《合婚》，饰演拒绝通过合婚挑选驸马的松花翁主。
2016年3月，主演惊悚电影《等着你》，饰演一心想要为父报仇的熙珠，凭借该片入围第53届韩国电影大钟奖最佳女演员奖。4月，主演独立电影《走路王》，饰演一名竞走运动员。5月，与崔岷植合作主演政治题材电影《特别市民》，饰演市长选举候选人阵营中的青年革新委员长。
2017年，与柳承龙搭档主演电影《念力》，饰演身陷意外事件的女孩路美。
2018年，主演新片《新闻记者》，2019年在日本上映。
2020年1月15日主演的金融题材电视剧《金钱游戏》在韩国tvN电视台水木档首播，在剧中饰演李慧准；10月22日，参演的悬疑剧《七个秘书》播出，在剧中饰演朴四朗。
2021年4月9日，主演的日本电影《椿之庭》在日本上映，她在片中饰演孙女渚。
