霍思燕出生于北京市海淀区的一个知识分子家庭，从小一直和爷爷奶奶生活在一起。1997年，在一个艺术节上，一位导演发现了霍思燕，几天后，便通知霍思燕去参加“水晶之恋”的广告面试，结果霍思燕被选中拍摄了《泰坦尼克》电影随片广告。
2000年，霍思燕出演家庭伦理剧《贫嘴张大民的幸福生活》，在剧中饰演善良、寡言沉默的张大雪，而这也是她的首部影视剧作品。
2001年，与俞飞鸿、何中华合作出演古装武侠剧《三少爷的剑》，饰演纪纲的妹妹纪情；同年，与张铁林、王刚、张国立合作出演古装喜剧《铁齿铜牙纪晓岚》。
2002年，与刘小峰、于波、唐国强合作出演民国爱情剧《女人汤》，在剧中饰演爱恨强烈、恩怨分明的高子，而这也是霍思燕首次饰演反派角色。
2003年，霍思燕首次担任女主角，与邓超、潘虹、郝蕾合作主演古装情感剧《少年天子》，饰演忍辱负重、才貌双全的乌云珠。
2005年，与蒋欣、杨蕊、六小龄童合作主演古装神话情感剧《欢天喜地七仙女》，在剧中饰演女主角七仙女紫儿。
2006年，与林志颖、杨幂合作出演古装神话剧《新聊斋志异》，饰演女鬼秋荣；5月，霍思燕首次担任女一号，主演都市偶像剧《像风一样离去》，饰演常常受到后母的虐待，苦不堪言乔可欣；随后，与邱心志、戴春荣合作主演古装悬疑剧《杨乃武与小白菜》，饰演性格上刚柔相济，不肯向命运低头的小白菜；7月，在古装情感剧《大清后宫之还君明珠》中饰演戏班班主的女儿沈吟秋。
2007年，凭借青春喜剧片《我要成名》入围第二十六届中国香港金像奖最佳新人奖、中国香港电影金紫荆奖最佳新人奖提名，以及中国电影导演协会最佳新人银奖；同年，在年代战争剧《西安事变》中饰演张学良的二夫人赵一荻。
2008年，在年代抗战剧《江湖往事》中，饰演性格活泼的魔术女郎赵小灵，而这也是霍思燕首次出演打女；2月，与陈键锋、严宽主演民国情感剧《最后的格格》，饰演对感情十分执着的云香格格。
2009年，与钟汉良、何晟铭、孙菲菲合作主演民国爱情剧《玫瑰江湖》，在剧中饰演济世山庄的大小姐君绮罗；同年，搭档冯绍峰合作主演家庭伦理剧《夫妻一场》，饰演在北京读完大学后回乡教书的宁小燕。
2010年，在都市情感剧《孽缘》中，饰演对生活始终保持着积极的心态的汪海灵；8月，在古装神话剧《天师钟馗》中，饰演本是聪明善良的普通女子，其实是苏妲转世的苏美娘；同年，在都市爱情剧《爱要有你才完美》中，饰演敢爱敢恨、敢作敢当的徐孟菲。
2011年，凭借悬疑惊悚片《梦游3D》入围东京国际电影节最佳女主角提名；4月，与王太利、肖央合作出演励志短片《赢家》，饰演王大利的妻子霍燕燕；同年，在家庭情感剧《风车》中，饰演舒义海女儿北兆。
2012年，与范冰冰、冯绍峰合作主演的剧情片《二次曝光》上映，饰演宋其的闺蜜小西，而这也是霍思燕首部过亿票房的电影；同年，在美食题材电影《饮食男女2012》中，饰演经营着一家高级会所的瓦儿。
2013年，与张晓龙、陈紫函合作主演的都市情感励志轻喜剧《爱情面前谁怕谁》在浙江卫视播出，饰演直爽率真、大大咧咧的于小渔，该剧播出后便排名黄金档收视第一名，整个播出期稳定在黄金档收视前二名。2014年4月，搭档雷佳音主演都市爱情剧《我的媳妇是女王》，饰演性格开朗，积极向上的李开心；11月，与丈夫杜江合作出演青春爱情剧《再见，老婆大人》。
2015年，与李晨、杜江合作主演当代励志剧《草帽警察》，在剧中饰演热辣的村花赵小静，并凭借该剧获得第二届中美国际电视节最佳女主角奖，该剧也是霍思燕首次出演村姑的角色；4月，客串葛优，章子怡主演的悬疑谍战片《罗曼蒂克消亡史》；8月，主演都市时尚轻喜剧《待嫁三千金》，在剧中饰演独立果敢、做事干练利落的女强人白芍。
2016年，出演根据薛晓路同名小说改编的爱情剧《北京遇见西雅图》，在剧中担任女一号朱一然；同年，客串杜江主演的青春爱情片《高跟鞋先生》。
2017年，由微博时尚和OnlyLady联合主办的2017年度首届“微博时尚盛典”在北京举行，杜江霍思燕夫妇获颁“年度最具时尚影响力CP”。10月，参演电影《英格力士》。
2018年，参加2018年中央电视台元宵晚会，与常远、王鸥、董力、王雅洁、黄训国、魏允熙、优我女团反串表演《卖汤圆》。3月22日，霍思燕携儿子嗯哼参加综艺节目《妈妈是超人3》。7月，参加综艺节目《妻子的浪漫旅行》。9月，受邀参加2018年中央广播电视总台中秋晚会；12月28日，其主演的喜剧电影《来电狂响》上映，在剧中饰演李楠。
2019年，参加2019年北京电视台春节联欢晚会。6月27日，参加的大型思索级深度情感访谈节目《你好妈妈》在东南卫视播出。6月28日，参加的融媒体互动扶贫节目《脱贫攻坚战星光行动》在CCTV6电影频道播出。10月23日，参加的互联网公益节目《为爱下厨》第二季在腾讯视频播出。11月6日，参加的夫妻观察治愈节目《妻子的浪漫旅行》第三季在芒果TV播出。12月，参加综艺节目《老师请回答》。12月21日，参加的综艺节目《直通春晚》第三期在CCTV-3(综艺频道)播出。
2020年，参加的综艺节目《黄金100秒》在央视播出。9月3日，参加的综艺节目《海报里的英雄》第五期定档在CCTV-3播出。10月14日，担任第27届华鼎奖专家评审委员会评委。
北京遇上西雅图2017 饰演朱一然 导演潘镜丞 主演杜江、吴秀波、金燕玲
追婚记2016-09-15 饰演白芍 导演刘恺 主演王阳明、谭凯、周楚楚
再见，老婆大人2016-05-17 饰演甄美仁 导演王晓明 主演杜江、王志飞、何赛飞
我爱男保姆2015-11-04 饰演陶乐 导演张晓波 主演袁姗姗、雷佳音、曹曦文
我的媳妇是女王2015-07-04 饰演李开心 导演俞钟 主演雷佳音、曹征、顾艳
草帽警察 2015-02-12 饰演赵小静 导演杨亚洲 主演李晨、杜江、乔红
青年医生2014-11-28 饰演李丹（客串） 导演赵宝刚、王迎 主演任重、张俪、张铎
爱情面前谁怕谁2013-09-28 饰演余小渔 导演卢伦常 主演张晓龙、陈紫函、习雪
龙门镖局2013-07-30 饰演昭仪 导演王勇、宁财神 主演袁咏仪、李倩、郭京飞
兄弟英雄2011-04-09 饰演苏臻玉 导演连奕名 主演聂远、连奕名、周扬
风车2011-04-05 饰演舒兆欣 导演孔笙 主演李晨、宋佳、章龄之
唐琅探案2010-10-01 饰演苏莺莺 导演何洛 罗刚 主演霍建华、曾黎、张萌
孽缘2010-05-18 饰演汪海灵 导演钟澍佳 主演李晨、孙玮、颖儿
天师钟馗2010-02-23 饰演苏妲己/苏美娘 导演潘文杰、罗灿然、邓庆 主演冯绍峰、欧阳震华、郭珍霓
爱要有你才完美2010-02-03 饰演徐孟菲 导演杨玄 主演朱雨辰、冯华南、谭俊彦
夫妻一场2009-11-25 饰演宁小燕 导演胡储玺 主演冯绍峰、李立、吴晓敏
贤妻良母2009-09-09 饰演米米 导演吴锦源 主演郑佩佩、白珊、岳耀利
玫瑰江湖2009-01-22 饰演君绮罗 导演袁英铭、王少杰 主演钟汉良、孙菲菲、陈键锋
生命有明天2008-04-27 饰演孙丽 导演翰韬、俊文、良成 主演吴镇宇、宣萱、吕颂贤
最后的格格2008-02-22 饰演云香 导演刘逢声、刘逢声 主演陈键锋、严宽、孙兴
江湖往事2008-02-20 饰演赵小灵 导演李惠民 主演黄维德、炽龙、林湘萍
西安事变2007-12-24 饰演赵一荻 导演叶大鹰 主演胡军、刘交心、唐国强
杨乃武与小白菜2006-11-07 饰演小白菜 导演高翊浚 主演邱心志、潘虹、修庆
大清后宫之还君明珠2006-07-10 饰演沈吟秋 导演张轩南 主演胡静、黄维德、傅艺伟
像风一样离去2006-06-29 饰演乔可欣 导演陈小雷 主演聂远、黄觉、饶敏莉
新聊斋志异2005-12-13 饰演秋容 导演吴锦源 主演唐宁、TAE、林立雯
欢天喜地七仙女2005-07-21 饰演紫儿 导演胡贝易、江天、陈咏歌 主演郑国霖、潘虹、杨蕊
嘉庆皇帝2005-07-18 饰演瓜儿 导演滕文骥 主演辛柏青、何冰、孙逸飞
六面埋伏2005-01-06 饰演小娜 导演张惠中 主演王刚、王姬、李嘉存
少年天子2003-09-18 饰演乌云珠 导演刘恒 主演潘虹、邓超、郝蕾
换个活法2003-02-11 饰演易晓帆 导演史晨风 主演陶红、张涵予、石兰
女人汤2002-12-20 饰演高子 导演胡意涓 主演于波、刘小锋、张延
钱王2002-12-18 饰演王小妹 导演于敏 主演赵文瑄、陈龙、斯琴高娃
孙中山2001-12-03 饰演区小妹 导演沈好放 主演赵文瑄、朱媛媛、梁冠华
星梦恋人2001-01-01 饰演何珊珊 导演王秋雨 主演赵文瑄、姜华、宋佳
陈真后传2001 饰演公主 导演陈鲁 主演梁小龙、何晴、毛乐
非常情网2001 饰演孟菲 主演聂远、姚芊羽、刘蓓
九九归一2000 饰演郑秀儿 导演沈好放 主演陈刚、王馥荔、朱媛媛
贫嘴张大民的幸福生活2000 饰演张大雪 导演沈好放 主演梁冠华、朱媛媛、潘粤明
铁齿铜牙纪晓岚2000 饰演香草 导演刘家成、张国立、罗长安 主演张国立、张铁林、王刚
来电狂响 2018-12-29 饰演李楠 导演于淼 主演佟大为
英格力士 2018 导演陈冲 主演王志文、袁泉
罗曼蒂克消亡史2016-12-16 饰演妓女 导演程耳 主演杜江、葛优、章子怡
午夜火车2013-03-08 饰演杨洁 导演张江南 主演李宗翰、惠英红、王双宝
王的盛宴2012-11-29 饰演戚夫人 导演陆川 主演吴彦祖、刘烨、秦岚
二次曝光2012-09-29 饰演小西 导演李玉 主演范冰冰、冯绍峰、陈冲
饮食男女2：好近又好远2012-03-23 饰演瓦儿 导演曹瑞原 主演蓝正龙、归亚蕾、张孝全
父亲2011-12-21 饰演霍燕燕 导演肖央 主演肖央、王太利、徐玺涵
梦游3D2011-10-27 饰演欧碧仪 导演彭顺 主演李心洁、李宗翰、杨采妮
赢家2011-04-21 饰演霍小燕 导演肖央 主演肖央、王太利、李悦然
大玩家2010-11-25 饰演云儿 导演牛朝阳 主演焦恩俊、孙兴、斯琴高娃
迷城2010-10-22 饰演甘秀 导演章家瑞 主演郭晓然、葛思然、唐以诺
绝命岛2010-10-12 饰演山寨妹 导演冯超 主演刘桦、林雪、戎祥
精武风云·陈真2010-09-21 饰演唯唯 导演刘伟强 主演甄子丹、余文乐、舒淇
龙凤店2010-08-19 饰演长慈郡主 导演钟澍佳 主演徐熙媛、任贤齐、潘长江
微笑圈2008-08-01 饰演海星 导演蒲剑 主演林依轮、王璐瑶、王佳一
天行者2006-11-14 饰演乐聪慧 导演阮士生 主演郑伊健、张智霖、冯德伦
我要成名2006-09-01 饰演吴晓菲 导演刘国昌 主演刘青云、余安安、黎耀祥
微笑2004-08-16 饰演张雪 导演张建亚 主演王姬、邵兵、董勇
2006年5月31日，霍思燕参加“天使之翼”百万助学行动，帮助贫困的孩子。
2010年9月27日，霍思燕作为《精武风云》主演之一和剧组在温州举办慈善晚宴，共拍得善款63.8万元，并全部捐赠给中国少年儿童基金会，用于建立“安康图书馆”工程。
2012年6月18日，霍思燕出席宋庆龄基金会慈善晚宴并拿出的其第一份“摄影作品”进行爱心拍卖，以帮助到贫困山区的留守儿童摆脱课间饥饿及得到营养改善。
2014年8月26日，霍思燕与丈夫杜江两人出席北京“明星公民”五周年感恩盛典活动并获得明星公民称号。该项目旨在为灾区儿童提供御寒衣物、书包文具等日常用品，为孩子们送去温暖与欢乐。
2018年10月17日，担任电影频道节目中心主办的大型公益项目“脱贫攻坚战——星光行动”“星光调研员”。
2011 亚洲美容盛典 “年度品牌最爱明星奖项” （获奖）
2011 “2011时尚先生盛典”“年度风尚女艺人” （获奖）
2010 《风尚志》风尚权力榜“风尚质感女演员” （获奖）
2009 年度风尚权利榜“风尚公益女明星” （获奖）
2007 风尚中国年度风尚榜“年度风尚女士” （获奖）
2010 北京科技周“科普公益大使” （获奖）
2012 乐视影视盛典盘点类“最佳女演员” 风车 （获奖）
2012 乐视影视盛典电影最具实力演员 饮食男女2012 （获奖）
2011 搜狐视频电视剧盛典最佳女演员 爱要有你才完美 （提名）
2011 第24届东京国际电影节最佳女主角奖 梦游3D （提名）
2010 第13届上海国际电影节传媒大奖最佳女主角奖 迷城 （提名）
2008 中国香港电影金紫荆奖最佳女主角 最后的格格 （提名）
2007 西安曲江·国产电影新人新作展新锐演员奖 像风一样离去 （获奖）
2007 第26届中国香港金像奖最佳新人奖 我要成名 （提名）
2007 香港导演协会年度最佳新人银奖 我要成名 （获奖）
2015-05-09 第二届中美国际电视节最佳女主角奖 草帽警察 （获奖）
霍思燕出演过很多悲情色彩的影视剧作品，每每都能把一个个悲情角色表现的唯美和感人。她在电视剧《最后的格格》中饰演的“云香格格”有着波折起伏的人生，让观众跟着她所饰演的角色心情起伏。霍思燕表演悲情戏是随手捻来，不动用任何的辅助工具眼泪是说来就来，因此，她的演技还得到了很多工作人员的认可。另外，霍思燕在电影《二次曝光》中饰演小西，给予角色清纯的同时，还要有性感忧郁、俏皮可爱的感觉，她都很好的做到了如此复杂的表达。她还在电视剧《爱情面前谁怕谁》中，饰演一个平胸女余小渔，以夸张的表演方式以及牺牲自己的美感来促成角色的完满，引起了很多网友的关注与认可。（新浪娱乐、网易娱乐评）
霍思燕在一组杂志写真中，时而身着蓝白条纹衬衫展现俏皮率性，时而身着撞色拼接毛衣，彰显活泼灵动，甜美可爱的笑容又多了几分妩媚性感，宛如活力的俏皮女孩。（凤凰娱乐评）
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