Kim Ah-joong xuất hiện lần đầu trong bộ phim lãng mạn When Romance Meets Destiny năm 2005. Sau đó, cô xuất hiện trong một số quảng cáo và giành được vai chính đầu tiên cho bộ phim truyền hình Bizarre Bunch.

Năm 2006, Kim Ah-joong bắt đầu được chú ý và trở nên nổi tiếng khắp toàn Châu Á sau khi tham gia bộ phim điện ảnh Sắc đẹp ngàn cân, cô đảm nhận vai nữ chính Kang Han-na, một cô gái với thân hình ngoại cỡ, mang giọng hát thiên thần nhưng chưa một lần can đảm bước ra sân khấu. Nỗi mặc cảm với ngoại hình to béo của mình, cô quyết định thay đổi bản thân, để được chạm đến ánh đèn sân khấu và được chạm đến ánh mắt của người mà cô yêu thương. Phim thu hút tới hơn 6,6 triệu khán giả trên toàn quốc, với doanh thu 42 triệu USD và đứng thứ ba trong số các phim ăn khách nhất năm 2006. Vai diễn này cũng đã giúp cô đoạt giải Nữ diễn viên xuất sắc nhất Nữ diễn viên xuất sắc nhất tại Grand Bell Awards năm 2007. Cô đã hát riêng ca khúc của mình trong bộ phim, bao gồm cả "Beautiful Girl" trong phần mở đầu của bộ phim và phiên bản tiếng Hàn của bài hát "Maria"

Năm 2009, Kim Ah-joong trở lại diễn xuất, đóng cùng Hwang Jung-min trong bộ phim Chồng hờ vợ tạm.

Năm 2010, Kim Ah-joong tham gia một dự án phim do Mỹ-Trung Quốc hợp tác, Amazing, một bộ phim khoa học viễn tưởng về sự phát triển của một trò chơi bóng rổ thực tế ảo. Cùng năm đó, cô được chọn tham gia bộ phim y tế Sign, đóng vai một nhà khoa học pháp y.

Vào tháng 12 năm 2012, cô đóng chung với Ji Sung trong bộ phim hài lãng mạn Đối tác gợi cảm. Tiếp theo là một bộ phim hài lãng mạn khác Bắt em đi năm 2013.

Năm 2014, Kim Ah-joong đánh dấu sự trở lại màn ảnh nhỏ với vai diễn trong tác phẩm truyền hình Punch tạo được nhiều thiện cảm của khán giả. 2 năm sau, cô tái xuất với Wanted và chính thức được công chúng đón nhận.

Năm 2017, cô đóng vai chính trong bộ phim hài lãng mạn Lang y lừng danh cùng với Kim Nam-gil.

Năm 2018, Kim Ah-joong nhận lời tham gia bộ phim điện ảnh được chuyển thể từ bộ phim truyền hình tội phạm cùng tên Bad Guys của OCN.