Kim Hye-yoon debutó como actriz en la película de 2013 Samsaengi, interpretando la versión adolescente de un personaje secundario. Desde el 2015, Kim se centró en sus estudios y solo apareció como invitada en varios dramas. Con una beca completa para la Universidad de Konkuk, una de las principales universidades de Corea, se especializó en estudios cinematográficos y algunos de sus trabajos se presentaron en varios festivales de cine estudiantil. Antes de gradarse, comenzó a audicionar para papeles más importantes, incluido el exitoso drama de JTBC, Sky Castle (2018-2019), trabajo que la lanzó al estrellato y le valió el 55 Baeksang Arts Awards a la Mejor Actriz Revelación. Recibió su primer papel protagónico con Extraordinary You (2019) de MBC y actualmente la podemos ver protagonizando el drama de época Secret Royal Inspector & Joy junto a Ok Taec-yeon. Próximamente l a veremos en Disney+ como una de las protagonistas de la serie Snowdrop (2021).