2013–2018: Początki kariery Kim Hye-yoon zadebiutowała jako aktorka w 2013 roku w serialu KBS2 Samsaengi, wcielając się w nastoletnią wersję drugoplanowej bohaterki. Po zdobyciu uznania za rolę w kryminalnym thrillerze OCN Bad Guys z 2014 roku, skupiła się na nauce i przyjmowała jedynie drobne role, aby nie wpłynęło to na jej wyniki w nauce, ponieważ w 2015 roku otrzymała pełne stypendium na Uniwersytet Konkuk, jednym z czołowych uniwersytetów w Korei. Jej największą rolą w tym okresie była postać drugoplanowa w thrillerze Memoir of a Murderer.
2019–2021: Rosnąca popularność Przed ukończeniem studiów w lutym 2019 roku, Kim Hye-yoon zaczęła ubiegać się o większe role, w tym w satyrycznym dramacie JTBC Sky Castle. Pomimo bardzo konkurencyjnego procesu przesłuchań, gdzie na jedno miejsce przypadało 200 kandydatów, wyróżniła się i z powodzeniem zdobyła tę rolę. Ogromny sukces serialu oraz jej charakterystyczna rola ambitnej, nieprzyjaznej, ale pełnej gracji licealistki wyniosły ją na szczyty popularności i przyniosły jej nagrodę dla Najlepszej Nowej Aktorki na 55. Baeksang Arts Awards. mały|Kim Hye-yoon na konferencji prasowej Extraordinary You w 2019 roku W 2019 roku Kim Hye-yoon po raz pierwszy zagrała główną rolę w dramacie MBC Extraordinary You, opartym na popularnym webtoonie Daum July Found by Chance.