Song Seon-mi ganó el segundo lugar en el concurso de modelos Super Elite en 1996, luego pasó de una carrera de modelo a actuar un año después en el drama televisivo Model (1997). En 1998, hizo su debut cinematográfico interpretando papeles duales en la comedia romántica aclamada por la crítica Art Museum by the Zoo, de Lee Jeong-hyang, junto a Ahn Sung-ki. En la pantalla chica, su popularidad aumentó cuando interpretó a una joven ama de casa en Precious Family (2004), escrita por Kim Soo-hyun. Aunque Song es más activa en la televisión, en su filmografía destacan dos películas del autor Hong Sang-soo: Mujer en la playa (2006) y The Day He Arrives (2011). Song protagonizó su primer drama de época en Blooded Palace: The War of Flowers (2013), por la que recibió elogios. En 2022 volvió a trabajar bajo la dirección de Hong Sang-soo en Walk Up, un drama que sigue al cineasta Byung-soo y su hija separada Jeong-su mientras visitan un edificio.