Dzięki tej roli zdobyła jeszcze większe uznanie, wygrywając zarówno nagrodę dla Nowej Aktorki, jak i dla Wybitnej Aktorki na MBC Drama Awards. W tym samym roku została również obsadzona jako jedna z głównych postaci w thrillerze Midnight.
Kim Hye-yoon otrzymała swoją pierwszą główną rolę filmową w produkcji z 2020 roku The Girl on a Bulldozer. W tym samym roku potwierdziła również swój udział w serialu telewizyjnym JTBC Snowdrop z 2021 roku, w którym ponownie współpracowała z zespołem produkcyjnym hitowego dramatu Sky Castle.
Pod koniec zdjęć do Snowdrop, otrzymała propozycję zagrania głównej roli w historycznym serialu proceduralnym tvN Secret Royal Inspector & Joy z 2021 roku. Serial ten miał swoją premierę przed Snowdrop.
Od 2022: Przełom mały|Kim Hye-yoon na Blue Dragon Film Awards w 2022 roku W 2022 roku film The Girl on a Bulldozer trafił do kin, a rola Kim Hye-yoon jako Goo Hye-young spotkała się z uznaniem krytyków, przynosząc jej liczne nagrody na prestiżowych ceremoniach, takich jak Blue Dragon Film Awards i Grand Bell Awards w kategorii Najlepsza Nowa Aktorka. Otrzymała również nagrodę Rising Star Asia Award na Festiwalu Filmowym w Nowym Jorku. Co więcej, była nominowana do nagrody dla Najlepszej Nowej Aktorki Filmowej na 59. Baeksang Arts Awards.