Hồng Diễm sinh năm 1983.[4] Là con út trong gia đình không ai làm nghệ thuật, bố mẹ làm bưu điện và bán hàng, Hồng Diễm bị cuốn hút với những người mẫu trình diễn trên sân khấu từ khi còn nhỏ.[5] Năm 2001, sau khi thi trượt đại học,[6] cô tham gia vào lĩnh vưc giải trí với vai trò người mẫu.[7] Được sự giúp đỡ từ Thúy Hằng và Thúy Hạnh, cô trở thành một trong những người mẫu đầu tiên của công ty Elite Việt Nam trong thập niên 2000.[8] Năm 2004, Diễm đại diện Việt Nam tham dự cuộc thi Hoa hậu Ngọc trai phương Đông và lọt vào danh sách 10 thí sinh xuất sắc nhất.[7][8] Sau đó, cô trở thành gương mặt người mẫu được yêu thích nhất của Elite Việt Nam.[4] Trong thời gian này, ngoài nghề người mẫu, cô còn dẫn chương trình cho một số chương trình như Sảng khoái với SEA Games 2003, Tôi yêu Việt Nam và Con đường doanh nhân, Phong cách sống.[4][7] Sau 6 năm làm người mẫu, Hồng Diễm kết thúc sự nghiệp của mình trên sàn diễn vào năm 2007 và chính thức chuyển hướng sang vai trò diễn viên.[7]

Năm 2007, Hồng Diễm có vai diễn đầu tay với vai Nga trong phim Chàng trai đa cảm.[9] Tuy tham gia tuyển vai cho vai chính nhưng sau đó cô lại vào vai phụ.[8] Năm 2011, Diễm kết hợp với Hồng Đăng trong Cầu vồng tình yêu và nhận được sự chú ý.[8][10] Năm 2017, Hồng Diễm tái hợp Hồng Đăng sau 6 năm vắng bóng trong phim truyền hình Mátxcơva - Mùa thay lá.[11] Cả hai tiếp tục làm bạn diễn của nhau trong bộ phim Cả một đời ân oán công chiếu một năm sau đó,[12] phim Hoa hồng trên ngực trái công chiếu năm 2019[13] và phim Những ngày không quên công chiếu năm 2020.[14] Năm 2021, Hồng Diễm vào vai Minh Châu trong Hướng dương ngược nắng, tái ngộ Hồng Đăng.[15]