Od 2020: Debiut filmowy i rosnąca popularność W 2020 roku została obsadzona w swojej pierwszej głównej roli w filmie Innocence, gdzie zagrała prawniczkę, która postanawia bronić swoją matkę (Bae Jong-ok) przed oskarżeniami. Otrzymała pozytywne recenzje za swoją rolę i została nominowana w kategorii Najlepsza Nowa Aktorka na 41. Blue Dragon Film Awards.
W listopadzie pojawiła się w filmie Collecters u boku Lee Je-hoona, grając kuratorkę sztuki Yoon. Następnie wystąpiła w hitowym dramacie tvN Mr. Queen w podwójnej roli: Kim So-yong (Królowa Cheorin) oraz Jang Bong-hwana, kucharza z 2020 roku, którego dusza cofa się w czasie i zostaje uwięziona w ciele Kim So-yong. Została nominowana do 57. Baeksang Arts Awards w kategorii Najlepsza Aktorka (TV) za swoją rolę w Mr. Queen oraz w kategorii Najlepsza Nowa Aktorka (Film) za rolę w Innocence.
4 grudnia 2021 roku Shin Hye-sun ponownie przedłużyła kontrakt z YNK Entertainment.
W 2023 roku zagrała główną rolę Ban Ji-eum w serialu See You in My 19th Life jako kobieta, która pamięta wszystkie swoje poprzednie życia i pragnie nawiązać kontakt z mężczyzną z jej poprzedniego 18. życia.