Shin Hye-sun ra mắt khán giả qua bộ phim truyền hình Học đường 2013, một phần của loại phim dài tập School, sau khi thành công vượt qua buổi casting để được chọn vào vai một nữ sinh trung học. Ngoài ra, cô còn đóng vai nhân vật phụ trùng tên với mình.[1]

Cô bắt đầu có những vai diễn lớn hơn vào năm 2015 với Ma nữ đáng yêu và Cô nàng xinh đẹp.[2][3] Mặc dù 2 bộ phim đều mang thể loại hài kịch - lãng mạn, nhưng tính cách nhân vật của cô trong 2 bộ phim khác nhau đáng kể.[4]

Bước đột phá của cô đến vào năm 2016 với Five Enough.[5] Trong phim cô hóa thân vào vai một người phụ nữ cả tin, ngây thơ và lãng mạn, đóng cặp cùng với nam diễn viên Sung Hoon, phim được khán giả vô cùng yêu thích.[6] Cùng năm, cô tham gia đóng vai phụ trong bộ phim tình cảm giả tưởng Huyền thoại Biển xanh cùng với cặp đôi Lee Min-ho và Jun Ji-hyun.[7]

Năm 2017, cô đảm nhận vai chính đầu tiên trong phim điện ảnh A Day.[8] Sau đó, nữ diễn viên tiếp tục xuất hiện trong loạt phim kinh dị - tội phạm nổi tiếng Khu rừng bí mật và phim truyền hình My Golden Life của đài KBS2.[9][10][11] Bộ phim đã đạt được thành công vang dội ở quê nhà Hàn Quốc khi có mức xếp hạng tỷ suất người xem vượt qua 40%,[12] giúp cho cô được công chúng đón nhận ngày càng nhiều.[13][14] Nữ diễn viên nhận được nhiều lời mời quảng cáo, diễn xuất trong cả phim điện ảnh và phim truyền hình.[15]

Năm 2018, cô được chọn tham gia dự án phim truyền hình đặc biệt của Netflix với tựa đề Thánh ca tử thần - trong vai Yun Sim-deok.[16] Cô cũng tham gia đóng vai chính trong bộ phim hài tình cảm Still 17.[17] Cùng năm, cô tham gia diễn xuất trong phim điện ảnh Innocence.[18]

Năm 2019, cô đóng vai chính trong bộ phim lãng mạn giả tưởng Sứ mệnh cuối cùng của thiên thần.[19]

Sang đến năm 2020, cô xuất hiện trong phim điện ảnh Kẻ săn mộ với vai diễn 'Yoon Se-hee'[20] và cùng nam tài tử Kim Jung-hyun đóng vai chính trong phim truyền hình Chàng hậu với vai 'Hoàng hậu Kim So-yong' (Triết Nhân Vương hậu) của đài TvN.[21]