Kim Hye-soo bắt đầu sự nghiệp với vai diễn trong phim Ggambo (1986) khi cô còn đang là học sinh năm đầu trường trung học[2]. Qua hai thập niên, Hye-soo đã tham gia đóng vai chính và vai phụ trong một số lượng phim đồ sộ, nổi bật là phim truyền hình Did We Really Love? đóng cùng với Bae Yong-joon và and Passion diễn xuất cùng Ahn Jae-wook, cũng như phim điện ảnh First Love (1993) và Tie a Yellow Ribbon (1998).

Thập niên 2000, Kim Hye-soo bắt đầu xuất hiện nhiều trên màn bạc. Cô tham gia các phim như Kick the Moon, YMCA Baseball Team và Three.[3]

Tuy nhiên, phải cho tới khi vào vai một người phụ nữ xinh đẹp, tự tin và có sức quyến rũ chết người trong phim Hypnotized (2004)[4], The Red Shoes (2005)[5] và Tazza: The High Rollers (2006), thì tài năng diễn xuất của cô mới được công nhận và cô chính thức bước vào danh sách sao hạng A của nền điện ảnh Hàn Quốc[6]. Tiếp sau đó cô đóng nhiều vai khác nhau, như người phụ nữ nội trợ đang bí mật hẹn hò với một sinh viên trong phim A Good Day to Have an Affair[7], một bà cô sống rất chân thành trong phim Shim's Family[8], vai gái mại dâm trong phim Eleventh Mom[9] và vai ca sĩ quán bar trong Modern Boy (2008)[10].