Alors qu'elle est en troisième année de lycée, Kim Hyun-joo commence une carrière de mannequinat, en posant pour des magazines destinés aux adolescents.
En 1996, elle fait ses débuts dans le divertissement, en jouant dans le clip de One's Lifetime, réalisé par Kim Hyun-chul[3]. L'année suivante, elle obtient un rôle dans le téléfilmThe Reason I Live[4]. Après avoir tourné dans quelques sitcoms, elle obtient plusieurs seconds rôles dans des téléfilms.
En 1998, elle décroche un rôle principal dans le film If It Snows on Christmas[5] et remporte le prix de la nouvelle actrice, lors des SBS Drama Awards et MBC Drama Awards, pour Love You Love You et I Don't Know Anything But Love[5]. Peu après, elle décroche un rôle majeur dans Springtime, avec pour partenaire Jang Dong-gun[6]. Au même moment, son rôle dans Into the Sunlight stimule sa carrière ainsi que celle de ses partenaires de jeu, Cha Tae-hyun, Jang Hyuk et Kim Ha-neul[7].
Au début de l'année 2000, elle décroche un rôle principal dans Virtue, ainsi que d'autres rôles secondaires[5]. Kim Hyun-joo devient célèbre auprès du grand public en 2002, avec ses rôle principal dans Cinderella et Glass Slippers, film dans lequel deux sœurs sont séparées enfants et se rencontrent sans le savoir à l'âge adulte[5]. Mettant également en vedette Kim Ji-ho, Han Jae-suk et So Ji-sub, ce film est un succès et Kim Hyun-joo reçoit plusieurs prix lors des SBS Drama Awards[8]. Glass Slippers rencontre également un grand succès en Chine, à Taïwan et Hong Kong, ainsi qu'au Viêt Nam. Forte de cette nouvelle popularité, elle joue ensuite, en 2003, aux côtés de Taïwan l'artiste americano-taïwanais Vanness Wu, dans le film d'arts martiauxStar Runner.
Entre 2004 à 2005, elle joue l'héroïne Choi Seo-hee dans une adaptation télévisée du célèbre roman Toji, réalisé par Park Kyung-ni, qui dépeint la vie et les amours des paysans et de la noblesse en Corée, au tournant du XXe siècle[9]. Cette production à gros budget est un succès et lui permet d'être nommée en tant meilleure actrice de télévision aux Baeksang Arts Awards en 2006. Après avoir joué dans Marrying a Millionaire en 2005[5], Kim Hyun-joo fait le choix de ne plus tourner durant deux ans, lasse d'être sans cesse cataloguée dans des rôles de jeune femme douce et innocente. Elle revient en , avec un rôle à la télévision dans In-soon Is Pretty[10]. Malgré le faible taux d'audience obtenu par cette série, elle est récompensée par un prix d'excellence aux KBS Drama Awards[11], puis passe dix jours à Vancouver, pour tourner le documentaireECO Canada. Elle apparait également dans un reportage photo diffusée dans le magazine Sure, visant à sensibiliser le public aux problèmes d'environnement[12].
Le , elle publie l'ouvrage Hyun-joo's Handcrafted Story, dans lequel elle propose des créations personnelles et des photos de ses travaux d'aiguille[13].
En 2010, trois de ses proches disparaissent. Son ami, l'acteur Park Yong-ha, se suicide le [14] et son père, Kim Tae-beom, décède le , des suites d'une longue maladie. Elle choisit alors de voyager au Bangladesh et aux Philippines, en tant qu'ambassadrice bénévole de Good Neighbours, une ONG humanitaire, à qui elle fait également don de l'argent collecté lors des funérailles de son père, auquel elle ajoute une partie du revenu de la vente de ses livres, pour construire des bibliothèques dans onze orphelinats des bidonvilles de Dhaka. Elle enseigne également pour cette même ONG, auprès des écoliers coréens, sur le thème de la pauvreté dans le monde[15].
En 2011, elle reprend son activité d'actrice, en jouant dans Twinkle Twinkle[3] et remporte un Top Excellence Award lors des MBC Drama Awards[16]. Elle joue également dans le court métrageQ&A, réalisé par Kim Dae-seung, commandé par la Commission nationale des droits de l'homme de Corée[17].
En 2013, contrairement à ses personnages habituels, elle joue Lady Jo (Jo Gwi-in ), une des héroïnes légendaires de la dynastie Joseon, dans Blooded Palace : La guerre des fleurs. Les critiques louent alors sa polyvalence[18].
Dès 2014, elle anime Musical Journey to Yesterday, un programme musical dans lequel des idoles actuelles et des vétérans de l'industrie musicale interprètent en direct des chansons à succès des années 1970 à 1990, et joue dans What Happens to My Family?[19], ce qui lui vaut une nouvelle fois le Top Excellence Award , lors des KBS Drama Awards[20].
En 2015, elle joue quatre personnages dans le mélodrame, I Have a Lover[21] et remporte le Top Excellence Top Excellence Award des APAN Star Awards et SBS Drama Awards[22],[23].
En 2019, elle joue le rôle d'une avocate criminelle et reçoit des critiques élogieuses pour son personnage indépendant et unique[24].
En 2021, elle joue dans un remake du drame britannique JTBC, de la BBC, aux côtés de Ji Jin-hee[25], ainsi que dans la série Hellbound, réalisée par Yeon Sang-ho et diffusée sur la plateforme Netflix, dès le mois de [26],[27].