1999年，首次触电，和邵兵、瞿颖合作，参演滕文骥导演的电影《春天的狂想》，凭借饰演的周小玫一角获得第19届中国电影金鸡奖最佳女配角奖；同年，出演首部话剧《梁祝》。
2000年，和潘粤明领衔主演霍建起导演的爱情电影《蓝色爱情》，凭借饰演的刘云一角获得第8届北京大学生电影节最佳女演员奖，以及第21届中国电影金鸡奖最佳女主角提名。
2002年，和刘烨领衔主演古装武侠电视剧《有情鸳鸯无情剑》，饰演元娟公主；同年，主演张番番导演的电视剧《旋涡》，饰演尚朵；10月22日，在第22届中国电影金鸡奖中凭借电影《美丽的大脚》获得最佳女配角奖。
2003年，与夏雨、梁静合作出演电影《警察有约》；11月1日，在第26届大众电影百花奖中凭借电影《美丽的大脚》获得最佳女配角奖。
2004年，领衔主演王晶导演的古装武侠电视剧《小鱼儿与花无缺》，饰演精通医术的毒后苏如是之女苏樱一角。
2005年，出演大型多媒体音乐话剧《琥珀》，该剧演出门票在香港三天内预售达到3000张，创下香港话剧的销售纪录；同年，和夏雨合作，领衔主演彭小莲导演的“上海三部曲”中最后一部电影《上海伦巴》。
2006年6月，主演的话剧《电影之歌》举行全国巡演；10月，赴北京参与话剧《暗恋桃花源》的彩排；11月，在话剧《暗恋桃花源》中饰演温柔婉约的云之凡，并演唱主题曲《暗恋》。
2006年，参演电视剧《花之恋》。
2007年3月16日，发行第一张音乐作品集《孤独的花朵》；凭借专辑《孤独的花朵》获得第十四届东方风云榜颁奖礼“最佳音乐录影带奖”；4月，在北京王府井举办《孤独的花朵》音乐作品集签售会；5月，入选“中国话剧百年名人堂”；6月，加盟MTV音乐会并在青岛举办《孤独的花朵》签售见面会；11月，获得2007大学生音乐节颁奖典礼年度最受欢迎女歌手奖。
《小鱼儿与花无缺》苏樱
2008年1月，获得新浪网络盛典年度内地女歌手奖；4月8日，获得第八届音乐风云榜内地年度最佳新人奖；7月，发行EP《台北》。
2009年1月，发行EP《ShortStay北京》；4月，凭借专辑《ShortStay台北/冲绳》获得第九届音乐风云榜年度盛典最佳EP专辑奖；10月，凭借电影《如梦》获得第46届台湾电影金马奖最佳女主角提名。
2010年，在《新京报》举办的“中国最美50人”评选中排名第29位；4月11日，凭借《孤独的花朵》获得音乐风云榜十年盛典内地部分十年十大金曲奖；4月30日，和吴彦祖领衔主演的电影《如梦》上映，在片中分饰艾玲和依依；10月22日，和陈坤、陆毅领衔主演的爱情电影《跟我的前妻谈恋爱》上映。
2012年12月22日，合作周润发，出演民国时期的黑帮动作电影《大上海》上映，在片中饰演一代京剧名伶叶知秋。
2013年，凭借话剧《简·爱》获得第26届中国戏剧梅花奖。随后，合作刘青云、古天乐、张家辉，领衔主演陈木胜导演的动作警匪电影《扫毒》，在片中饰演阿秋的妻子。
袁泉
2014年9月30日，合作黄渤、徐峥，主演的喜剧爱情电影《心花路放》上映，在片中饰演康小雨；同年，参演许鞍华导演的民国传记文艺电影《黄金时代》，在片中饰演梅志。12月28日，与黄渤、倪大红等合作主演的谍战剧《锋刃》在央视一套播出。
2015年2月19日，参演王晶导演的春节档电影《澳门风云2》上映，在片中饰演小马妻。
2016年， 合作陈冲、宁静、俞飞鸿、齐溪，领衔主演电影《没有别的爱》；8月12日，合作刘青云、古天乐、彭于晏，主演的陈木胜导演的动作电影《危城》上映，在片中饰演周素素；12月16日，参演程耳导演的电影《罗曼蒂克消亡史》上映，在片中饰演吴小姐。
2017年7月4日，合作靳东、马伊琍，领衔主演的都市情感剧《我的前半生》首播，该剧由沈严执导，袁泉在剧中饰演了职场女强人唐晶一角；8月，领衔主演由陈冲编剧执导的剧情片《英格力士》；10月26日，主演的交通救捞题材电视剧《碧海雄心》于山东卫视和央视播出。
《罗曼蒂克消亡史》吴小姐
2018年3月15日，袁泉凭借电视剧《我的前半生》中唐晶一角获得2018电视剧品质盛典“年度表演剧星”；同年4月，与陆毅合作主演了现实主义题材剧《风再起时》，剧中饰演女主角何晓莺。
2019年5月17日，与胡军合作出演的电影《音乐家》上映；同年，袁泉加盟由乌尔善导演执导的电影《封神三部曲》，在片中饰演姜王后；9月30日，与张涵予、欧豪、杜江合作主演的传记灾难电影《中国机长》上映，片中饰演乘务长毕男；11月26日，友情出演的古装电视剧《庆余年》播出，在剧中饰演叶教授；12月20日，出演的都市律政剧《精英律师》在东方卫视、北京卫视首播，并在爱奇艺、腾讯视频同步播出。
2020年1月25日，袁泉出演的由徐峥执导的电影《囧妈》于大年初一上线西瓜视频网络播出；凭借电影《中国机长》分别于9月和11月获得了第35届中国电影百花奖和第33届中国电影金鸡奖最佳女配角奖；12月28日，参演的电视剧《流金岁月》在中央电视台八套电视剧频道播出，在剧中饰演戴茜。
2021年3月8日，参演电影《1921》公布主要女演员阵容，片中饰演黄绍兰；7月9日，领衔主演的抗疫题材电影《中国医生》上映，在片中饰演重症科主任文婷；10月，第34回东京国际电影节中国电影周活动举行，凭借《中国医生》获金鹤奖最佳女主角。
2022年2月23日，出演由简川訸执导，雷佳音、张艺兴、贾乃亮、罗海琼领衔主演，正午阳光出品的都市情感新剧《相逢时节》播出；8月8日，领衔主演的都市律政剧《玫瑰之战》在腾讯视频播出。
《中国医生》文婷
