Od 2016: Debiut telewizyjny i wzrost popularność lewo|mały|skaluj=0.85|Kim Go-eun w 2016 roku zadebiutowała w telewizji w popularnym serialu Cheese in the Trap, opartym na webtoonie o tym samym tytule. W ramach ścieżki dźwiękowej do dramatu również udzieliła swojego głosu w utworze „Attraction” zespołu Tearliner. Za swój występ Kim otrzymała nagrodę Baeksang Arts Award w kategorii „Najlepsza nowa aktorka telewizyjna”. W 2016 roku zagrała w wielkim hicie Goblin autorstwa Kim Eun-sook, gdzie wystąpiła u boku Gong Yoo. Serial okazał się wielkim sukcesem w całej Azji, zdobywając uznanie krytyków i stając się zjawiskiem kulturowym w Korei Południowej. Goblin był również pierwszym koreańskim dramatem kablowym, który przekroczył 20% oglądalności, a do czerwca 2021 roku plasował się na piątym miejscu w rankingu najwyżej ocenianych koreańskich dramatów w historii telewizji kablowej.
W 2018 roku Kim Go-eun zagrała drugoplanową rolę w filmie Sunset in My Hometown w reżyserii Lee Joon-ika. Aby wcielić się w postać wiejskiej dziewczyny, przytyła 8 kg i nauczyła się lokalnego dialektu. W tym samym roku została obsadzona w filmie Tune in for Love.