Với vai diễn đầu tiên Tam Nương trong phim Người đẹp Bình Dương - một phim đen trắng của hãng phim Mỹ Vân do nghệ sĩ Năm Châu đạo diễn, ra mắt công chúng năm 1958, Thẩm Thúy Hằng đã nổi lên như một ngôi sao điện ảnh và chinh phục khán giả màn ảnh rộng lúc bấy giờ. Cái tên “Người đẹp Bình Dương” đã theo Thúy Hằng đi suốt cuộc hành trình nghệ thuật thập niên 50 - 60.

Sau khi trở thành ngôi sao tỏa sáng làng điện ảnh, Thẩm Thúy Hằng được các hãng phim lúc bấy giờ mời vào vai chính liên tục. Cô đóng rất nhiều phim (khoảng 60 phim) và trở thành minh tinh số một với tiền cát-xê một triệu đồng cho một vai diễn (tương đương một kg vàng 9999 thời bấy giờ).

Ngoài vai diễn đầu tiên Tam Nương trong phim Người đẹp Bình Dương, một vai diễn khác cũng rất đẹp của Thẩm Thúy Hằng từng gây được tiếng vang góp phần đưa tên tuổi của cô lên nấc thang danh vọng, đó là vai Chức Nữ trong bộ phim Ngưu Lang Chức Nữ cũng do hãng phim Mỹ Vân sản xuất, NSND Năm Châu đạo diễn. Khán giả không thể quên nàng Chức Nữ đẹp lộng lẫy, sương khói đang bay về trời trong tiếng hát thánh thót như ngân lên từ những áng mây huyền ảo, thần tiên trong nhạc cảnh Chức Nữ về trời do Phạm Duy soạn nhạc.

Năm 1969, cô đứng ra thành lập nhóm làm phim riêng mang tên Thẩm Thúy Hằng, tiền thân của hãng Vilifilms nổi tiếng ở Sài Gòn sau này. Bộ phim đầu tiên của cô trong vai trò chủ hãng là Chiều kỷ niệm. Đạo diễn phim là Lê Mộng Hoàng cùng các diễn viên: Năm Châu, Kim Cúc, Phùng Há, Thanh Tú, Huy Cường, Việt Hùng, Ngọc Nuôi,... Sự thành công rực rỡ của Chiều kỷ niệm làm tên tuổi của Thẩm Thúy Hằng thêm nổi tiếng. cô tiếp tục cho ra đời thêm các bộ phim Nàng, rồi Ngậm ngùi, đều thu được thành công rực rỡ.

Cô tham dự nhiều liên hoan phim, xuất hiện tại Hồng Kông, Đài Loan, Hàn Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Singapore, Indonesia...

Không chỉ điện ảnh, Thẩm Thúy Hằng còn tham gia lĩnh vực sân khấu, đóng kịch và diễn cải lương. Ban Thẩm Thúy Hằng là một trong những ban kịch được yêu thích ở Sài Gòn thời gian đó. Trong vai trò trưởng ban, cô viết kịch bản, dàn dựng và đóng vai chính. Một số vở thành công như Người mẹ già, Suối tình, Đôi mắt bằng sứ... Trên sân khấu cải lương, Thẩm Thúy Hằng có vai vũ nữ Cẩm Lệ trong vở Bóng chim tăm cá của đoàn Thanh Minh - Thanh Nga...

Sau 1975, Thẩm Thúy Hằng ở lại Việt Nam. Cô tiếp tục tham gia những bộ phim điện ảnh Cách mạng như: Như thế là tội ác, Ngọn lửa Krông Jung, Hồ sơ một đám cưới, Đám cưới chạy tang, Cho cả ngày mai, Nơi gặp gỡ của tình yêu,... Ở lĩnh vực sân khấu, Thẩm Thúy Hằng có những vai diễn dáng chú ý trong Cho tình yêu mai sau, Đôi bông tai, Hoa sim gai trắng, Biệt thự hoang tàn... Vai diễn cuối cùng của Thẩm Thúy Hằng là vai Phồn Y trong vở Lôi Vũ của đoàn kịch Kim Cương.

Cô đã được nhà nước Việt Nam phong danh hiệu Nghệ sĩ ưu tú.[2]