1997年拍摄“水晶之恋”的广告进入娱乐圈。1998年拍第一部戏《贫嘴张大民的幸福生活》而被观众认识。2003年主演《少年天子》中乌云珠一角而走红；2005年因主演古装神话剧《聊斋》和《欢天喜地七仙女》而获得广泛关注；2008年出演民国剧《最后的格格》；2009年主演的民国剧《玫瑰江湖》和情感剧《孽缘》以及2010年主演的偶像剧《爱要有你才完美》和神话剧《天师钟馗》均获得同时段收视冠军。
2006年霍思燕出演首部电影《我要成名》，凭借该片入围第二十六届中国香港金像奖最佳新人奖和中国香港电影金紫荆奖最佳新人奖，并获得中国电影导演协会最佳新人银奖；2010年凭借《迷城》入围上海国际电影节最佳女主角奖；2011年凭借电影《梦游3D》入围东京国际电影节最佳女主角奖。
2013年与演员杜江结婚并于9月19日生下一子 ，同年12月复出拍摄的爱情喜剧《爱情面前谁怕谁》播出。2014年11月主演生活剧《再见，老婆大人》 。2015年2月12日霍思燕主演的电视剧《草帽警察》在中央电视台电视剧频道首播 ；4月份参加综艺节目《跑男》；5月9日获得第二届中美国际电视节最佳女主角奖 。2016年出演情感剧《北京遇上西雅图》 ；10月20日，霍思燕获得2016网易时尚跨界盛典年度最具魅力女明星大奖。
