En 2017, Choi Sung-eun apparaît, en tant qu'actrice, dans les courts métrages tels que Girls (소녀들, 2017) de Kang San[4], Eondeok (언덕, 2017) de Jo Hye-jin[5] et I Want to go to Paris (나는 파리에 가고 싶어요, 2018) de Yoo Hye-bin[6], puis, en , dans la pièceGrain in the Blood (피와 씨앗) au Doosan Art Center (두산아트센터), à Séoul[7]. En juillet, grâce à sa pose sur la couverture du magazine universitaire Life Magazine College Tomorrow's 853 ayant attiré l'attention de différentes agences, elle signe son premier contrat avec l'agence SALT Entertainment pour commencer sa carrière.
Début 2019, lors de l'audition, le réalisateur Choi Jeong-yeol la choisit pour le rôle de So Kyeong-joo pour son film Start-up (시동), aux côtés de Ma Dong-seok, Park Jung-min, Jeong Hae-in et Yum Jung-ah[8]. Ce rôle lui vaudra, en , une récompense de la meilleure actrice débutante à la cérémonie des Chunsa Film Art Awards[9].
En , elle est choisie pour le rôle principal dans le troisième épisode Joan's Galaxy (우주인 조안) de la série SF8(en) (에스 에프 에잇), pour la chaîne MBC[10]. À la fin du mai, le premier long métrage Ten Months(en) (십개월의 미래) de Nam Koong-sun, faisant partie du projet de l'université nationale des arts de Corée, dans lequel Choi Sung-eun tient le rôle principal, est présenté dans la section « Korean Cinema » au Festival international du film de Jeonju[11]. En août, elle signe le contrat avec l'agence Ace Factory[12]. Le même mois, elle décide participer à la série procédurale Au-delà du mal(en) (괴물, 2021), dans laquelle elle incarne Yoo Jae-yi, propriétaire d'une boucherie et d'un restaurant, pour la chaîne JTBC[13]. Après sa prestation émouvante, elle est nommée meilleure actrice débutante à la télévision pour ce rôle à la cérémonie des Baeksang Arts Awards en [14].
En , Netflix annonce sa participation avec Ji Chang-wook et Hwang In-yeop dans les rôles principaux de la série fantaisiste The Sound of Magic(en) (안나라수마나라, 2022)[15]. En août, elle est choisie pour interpréter le rôle principal, celui de Kim Hwa-jin, dans le film policier Gentleman(en) (젠틀맨, 2022) de Kim Kyung-won, aux côtés de Joo Ji-hoon et Park Seong-woong[16]. En octobre, le film indépendant Ten Months (십개월의 미래) de Nam Koong-sun est désormais sorti dans les salles sud-coréenne[17], dans lequel elle obtientra le prix de la meilleure actrice débutante pour le rôle de Choi Mi-rae à la cérémonie des Buil Film Awards en [18].
En , Netflix révèle qu'elle est choisie pour incarner la Belge Marie, ancienne tireuse d'élite, dans le premier long métrage Je m'appelle Loh Kiwan de Kim Hee-jin[19].