W tym samym roku ponownie wcieliła się w rolę kobiety zamienionej w kota w dwusezonowym serialu internetowym Love Cells, adaptowanym z webtoonu o tym samym tytule, oraz zagrała córkę mordercy w thrillerze Circle of Atonement.
W sierpniu 2016 roku Kim Yoo-jung zadebiutowała w roli głównej jako dorosła aktorka w młodzieżowym dramacie historycznym Love in the Moonlight, gdzie wcieliła się w Hong Ra-on - dziewczynę wychowaną jako chłopiec, która ostatecznie została eunuchą Księcia Koronnego Joseonu, granego przez Park Bo -guma. Serial, który odniósł krajowy sukces, osiągnął najwyższy poziom oglądalności na poziomie 23,3% i zyskał popularność określaną mianem „Moonlight Syndrome”. zdobyła nagrodę "Excellence Award, Actress in a Mid-length Drama" za rolę w Love in the Moonlight na 30. KBS Drama Awards.
W 2017 roku Kim Yoo-jung zagrała u boku Cha Tae-hyuna w filmie Because I Love You. W tym samym roku odbyła swoją pierwszą zagraniczną trasę spotkań z fanami, której pierwszym przystankiem było Taipei na Tajwanie. Spotkanie miało miejsce 4 lutego 2017 roku w ATT Show Box.
W 2018 roku Kim Yoo-jung zagrała w dramacie Clean with Passion for Now, opartym na webtoonie o tym samym tytule.