Năm 2011: Vietnam's Next Top Model

Năm 2011, Hoàng Thùy tham gia cuộc thi tìm kiếm người mẫu Vietnam's Next Top Model mùa thứ hai. Xuyên suốt quá trình thi, cô được các giám khảo đánh giá cao và xuất sắc lọt vào chung kết của cuộc thi, chiến thắng với danh hiệu quán quân ở tuổi 19, trở thành một trong hai quán quân trẻ tuổi nhất trong lịch sử cuộc thi bên cạnh Nguyễn Oanh của năm 2014.

Được tiết lộ, Hoàng Thùy đã vinh dự được đích thân siêu mẫu Tyra Banks, mẹ đẻ của loạt phiên bản Top Model nổi tiếng chọn làm quán quân của cuộc thi, trong một cuộc phỏng vấn với tạp chí Variety của Mỹ, cô đã khẳng định rằng Hoàng Thùy sẽ vươn xa ra thị trường quốc tế.[6] Theo Tyra, Thùy có một gương mặt chinh phục hoàn toàn cô và đã khiến cô yêu cầu ban tổ chức cung cấp toàn bộ video, hình ảnh của Thùy trong cuộc thi và cô đã xem chúng rất nhiều lần.[7]

Năm 2012: Best Catward Award Top Model of the World và New York Fashion Week

Sau thành công đầu tiên với Vietnam's Next Top Model, vào tháng 2, 2012, cô cùng người mẫu Tuyết Lan đồng hành sang New York để tham gia casting cho các show diễn của những nhà thiết kế hàng đầu thế giới. Tại đây, Hoàng Thùy tham gia New York Fashion Week, cô được chọn trình diễn cho ba show diễn, cô thậm chí từng xuất sắc vào vị trí vedette trong một show, đánh dấu bước đệm đầu tiên cho sự nghiệp của cô tại thị trường quốc tế.

Tháng 3, 2012, Hoàng Thùy đại diện Việt Nam tham gia cuộc thi quốc tế Top Model of the World diễn ra tại Berlin, Đức. Kết quả chung cuộc, cô lọt vào top 15 và dừng chân tại đây, được trao giải phụ Best Catwalk Award.[2]

Năm 2013: Giải thưởng Best Model Award

Sau hai năm hoạt động tích cực ở cả quốc tế và trong nước, vào ngày 11 tháng 3, 2013, Hoàng Thùy được được vinh danh với giải thưởng Best Model của khuôn khổ lễ trao giải Best People Awards do tạp chí F tổ chức để tôn vinh những thành quả và cống hiến to lớn của các NTK và người mẫu dành cho làng thời trang Việt Nam.[8]

Năm 2014: London Fashion Week và xuất hiện trên trang chủ Vogue UK

Đầu năm 2014, Hoàng Thùy một mình đi đến London để cố gắng tìm kiếm cơ hội tham gia vào tuần lễ thời trang Thu/Đông thuộc sự kiện London Fashion Week (loạt Tuần lễ Thời trang Luân Đôn), cô bắt đầu bằng việc gửi thông tin của mình thông qua thư điện tử cho các nhà thiết kế tham dự tuần lễ bằng mọi phương thức cô có thể dùng. Jean Pierre Braganza, nhà thiết kế đầu tiên phản hồi lại, đã cho phép Hoàng Thùy trình diễn trong 4 show của anh, đánh dấu bước ngoặt cho sự gặt hái nhiều thành công trên sàn diễn quốc tế sau này của cô.[9] Ngoài ra, Hoàng Thùy còn là người mẫu châu Á duy nhất xuất hiện trong show diễn cùng khuôn khổ tuần lễ thời trang của nhà thiết kế Haizhen Wang với tư cách first face (mở màn).

Sau tuần lễ thời trang, Hoàng Thùy bất ngờ trở thành người mẫu Việt đầu tiên xuất hiện trên trang chủ của tạp chí Vogue danh tiếng hàng đầu nước Anh.[10]

Sau sự thành công tại tuần lễ thời trang Thu/Đông, Hoàng Thùy tiếp tục tham gia trình diễn trong 3 show tại tuần lễ thời trang Xuân/Hè thuộc khuôn khổ London Fashion Week vào tháng 9, năm 2014. Kể từ đó, cô thường xuyên góp mặt tại các tuần lễ thời trang lớn như London Fashion Week, New York Fashion Week và Vietnam International Fashion Week.[11][12]

Năm 2015: The Clothes Show, New York Fashion Week và PRM Models

Năm 2015, Hoàng Thùy trở lại New York để chinh phục tuần lễ thời trang New York Fashion Week. Với sự trở lại lần này, cô đã đạt thành tích xuất sắc với 7 show diễn của các nhà thiết kế nổi tiếng tại Mercedes-Benz Fashion Week thuộc tuần lễ thời trang lần này.

Tháng 9, 2015, Hoàng Thùy đầu quân cho công ty quản lý quốc tế PRM Models Agency tại Anh.[12] Với sự giúp đỡ của công ty, Thùy đã tiếp tục casting và tham gia vào một số show diễn thuộc London Fashion Week 2015 sau đó.

Ngày 8 tháng 12, 2015, cô trình diễn tại The Clothes Show, một chương trình nghệ thuật quy mô và lâu đời ở Anh. Đặc biệt, cô còn là chân dài châu Á duy nhất trong tổng số vỏn vẹn 30 người mẫu được chọn qua vòng casting gay gắt xuất hiện trong show diễn.[13]

Năm 2016: Pure London, London Fashion Week và xuất hiện trên tạp chí hàng đầu nước Anh

Đầu năm 2016, Hoàng Thùy quay trở lại Anh và góp mặt trong Pure London Fashion Show 2016, điểm đến thời trang quy tụ đến hơn 300 thương hiệu lớn nhỏ khác nhau và được coi là nơi quy tụ đông đảo nhất của giới mộ điệu Anh hàng năm. Tiếp sau đó cô tham gia tuần lễ thời trang London Fashion Week 2016 bằng sự góp mặt trong show diễn của nhà thiết kế Paul Costelloe.

Cô trở thành người mẫu Việt Nam đầu tiên và duy nhất xuất hiện trên hai trong số các tạp chí danh giá nhất nước Anh, cụ thể là trên tạp chí Elle số tháng 1 và Grazia số đặc biệt.[12]

Năm 2017: Huấn luyện viên The Face Vietnam và tham gia đấu trường sắc đẹp

Năm 2017, Hoàng Thùy nhận lời mời trở thành một trong ba huấn luyện viên (mentor) mùa thứ hai chương trình truyền hình thực tế tìm kiếm gương mặt thương hiệu The Face Vietnam, bên cạnh Lan Khuê và Minh Tú. Kết quả cuộc thi chiến thắng thuộc về thí sinh Nguyễn Bạch Tú Hảo, team Lan Khuê.
Cuối năm 2017, Thùy tham gia cuộc thi sắc đẹp Hoa hậu hoàn vũ Việt Nam dưới hình thức truyền hình thực tế, chương trình Tôi là Hoa hậu Hoàn Vũ Việt Nam.

Năm 2018 – 2019: Á hậu Hoàn Vũ Việt Nam và đại diện tại Hoa hậu Hoàn Vũ 2019

6 tháng 1, 2018, Hoàng Thùy đạt danh hiệu Á hậu 1 chung cuộc Hoa hậu Hoàn vũ Việt Nam 2017 cùng với Á hậu 2 Mâu Thủy, hoa hậu là H'Hen Niê đến từ Đắk Lắk. Cả ba đều từng tham gia Vietnam's Next Top Model, Hoàng Thùy là quán quân mùa thứ hai (năm 2011), Mâu Thủy là quán quân mùa thứ tư (năm 2013) và Hen từng lọt vào Top 9 mùa thứ sáu (năm 2015).

Tháng 2, 2019, Á hậu Hoàn vũ Việt Nam 2017 Hoàng Thùy được mời làm diễn giả cho một chương trình ASEAN Youth Engagement Summit 2019 tại Philippines với chủ đề giới trẻ và những thay đổi của Asean trong thời đại mới. Tại đây người mẫu xứ Thanh đã không khỏi khiến khán giả và truyền thông Đông Nam Á bất ngờ bởi tài nói tiếng anh lưu loát với hình thái cực kỳ tự tin và thân thiện.[14]

Ngày 6 tháng 5, Hoàng Thùy chính thức được chọn làm đại diện Việt Nam tại Hoa hậu Hoàn vũ 2019.[15]

Ngày 11 tháng 10, Hoàng Thùy tổ chức mini fashion show mang tên "We are enough" nhằm mục đích dành cho và truyền cảm hứng cho các bệnh nhân ung thư.[16]

Từ giữa tháng 10, cô nhận lời làm host và giám khảo cho chương trình truyền hình thực tế Tôi là Hoa hậu Hoàn Vũ Việt Nam nhằm tìm kiếm Hoa hậu Hoàn Vũ Việt Nam 2019.

Ngày 25 tháng 11, cô bay sang Hoa Kỳ để tham dự cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2019. Đêm chung kết cuộc thi diễn ra vào ngày 9 tháng 12 tại thành phố Atlanta, tiểu bang Georgia.
Kết quả chung cuộc Hoàng Thùy lọt vào Top 20 khi là một trong 5 thí sinh xuất sắc nhất được ban giám khảo chọn ra từ khu vực Châu Phi và Châu Á Thái Bình Dương. Với thành tích này, cô trở thành một trong ba đại diện Việt Nam hiếm hoi được xếp hạng tại Hoa hậu Hoàn vũ, bên cạnh Nguyễn Thùy Lâm vào năm 2008 và H'Hen Niê vào năm 2018. Ngoài ra, đây cũng là lần đầu tiên một đại diện Việt Nam được xếp hạng khi Hoa hậu Hoàn vũ được tổ chức tại Hoa Kỳ (các đại diện trước đó của Việt Nam là Lưu Thị Diễm Hương, Phạm Thị Hương và Nguyễn Thị Loan đều ra về mà không được xếp hạng). Hoàng Thùy cũng là đại diện Việt Nam đầu tiên không mang danh hiệu Hoa hậu quốc gia được xếp hạng tại Hoa hậu Hoàn vũ. Trước đó, cả Nguyễn Thùy Lâm và H'Hen Niê đều đến Hoa hậu Hoàn vũ với tư cách là Hoa hậu Hoàn vũ Việt Nam.