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。画报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。2023年11月24日,与宋江主演的新剧《
我的恶魔》开播。参演作品剧照采访图集广告代言SURE
