霍思燕出生于北京市海淀區的一個知識分子家庭，從小一直和爺爺奶奶生活在一起。1997年，在一個藝術節上，一位導演發現了霍思燕，幾天后，便通知霍思燕去參加“水晶之戀”的廣告面試，結果霍思燕被選中拍攝了《泰坦尼克》電影隨片廣告。
2000年，霍思燕出演家庭倫理劇《貧嘴張大民的幸福生活》，在劇中飾演善良、寡言沉默的張大雪，而這也是她的首部影視劇作品。
2001年，與俞飛鴻、何中華合作出演古裝武俠劇《三少爺的劍》，飾演紀綱的妹妹紀情；同年，與張鐵林、王剛、張國立合作出演古裝喜劇《鐵齒銅牙紀曉嵐》。
2002年，與劉小峰、于波、唐國強合作出演民國愛情劇《女人湯》，在劇中飾演愛恨強烈、恩怨分明的高子，而這也是霍思燕首次飾演反派角色。
2003年，霍思燕首次擔任女主角，與鄧超、潘虹、郝蕾合作主演古裝情感劇《少年天子》，飾演忍辱負重、才貌雙全的烏云珠。
2005年，與蔣欣、楊蕊、六小齡童合作主演古裝神話情感劇《歡天喜地七仙女》，在劇中飾演女主角七仙女紫兒。
2006年，與林志穎、楊冪合作出演古裝神話劇《新聊齋志異》，飾演女鬼秋榮；5月，霍思燕首次擔任女一號，主演都市偶像劇《像風一樣離去》，飾演常常受到后母的虐待，苦不堪言喬可欣；隨后，與邱心志、戴春榮合作主演古裝懸疑劇《楊乃武與小白菜》，飾演性格上剛柔相濟，不肯向命運低頭的小白菜；7月，在古裝情感劇《大清后宮之還君明珠》中飾演戲班班主的女兒沈吟秋。
2007年，憑借青春喜劇片《我要成名》入圍第二十六屆中國香港金像獎最佳新人獎、中國香港電影金紫荊獎最佳新人獎提名，以及中國電影導演協會最佳新人銀獎；同年，在年代戰爭劇《西安事變》中飾演張學良的二夫人趙一荻。
2008年，在年代抗戰劇《江湖往事》中，飾演性格活潑的魔術女郎趙小靈，而這也是霍思燕首次出演打女；2月，與陳鍵鋒、嚴寬主演民國情感劇《最后的格格》，飾演對感情十分執著的云香格格。
2009年，與鐘漢良、何晟銘、孫菲菲合作主演民國愛情劇《玫瑰江湖》，在劇中飾演濟世山莊的大小姐君綺羅；同年，搭檔馮紹峰合作主演家庭倫理劇《夫妻一場》，飾演在北京讀完大學后回鄉教書的寧小燕。
2010年，在都市情感劇《孽緣》中，飾演對生活始終保持著積極的心態的汪海靈；8月，在古裝神話劇《天師鐘馗》中，飾演本是聰明善良的普通女子，其實是蘇妲轉世的蘇美娘；同年，在都市愛情劇《愛要有你才完美》中，飾演敢愛敢恨、敢作敢當的徐孟菲。
2011年，憑借懸疑驚悚片《夢游3D》入圍東京國際電影節最佳女主角提名；4月，與王太利、肖央合作出演勵志短片《贏家》，飾演王大利的妻子霍燕燕；同年，在家庭情感劇《風車》中，飾演舒義海女兒北兆。
2012年，與范冰冰、馮紹峰合作主演的劇情片《二次曝光》上映，飾演宋其的閨蜜小西，而這也是霍思燕首部過億票房的電影；同年，在美食題材電影《飲食男女2012》中，飾演經營著一家高級會所的瓦兒。
2013年，與張曉龍、陳紫函合作主演的都市情感勵志輕喜劇《愛情面前誰怕誰》在浙江衛視播出，飾演直爽率真、大大咧咧的于小漁，該劇播出后便排名黃金檔收視第一名，整個播出期穩定在黃金檔收視前二名。2014年4月，搭檔雷佳音主演都市愛情劇《我的媳婦是女王》，飾演性格開朗，積極向上的李開心；11月，與丈夫杜江合作出演青春愛情劇《再見，老婆大人》。
2015年，與李晨、杜江合作主演當代勵志劇《草帽警察》，在劇中飾演熱辣的村花趙小靜，并憑借該劇獲得第二屆中美國際電視節最佳女主角獎，該劇也是霍思燕首次出演村姑的角色；4月，客串葛優，章子怡主演的懸疑諜戰片《羅曼蒂克消亡史》；8月，主演都市時尚輕喜劇《待嫁三千金》，在劇中飾演獨立果敢、做事干練利落的女強人白芍。
2016年，出演根據薛曉路同名小說改編的愛情劇《北京遇見西雅圖》，在劇中擔任女一號朱一然；同年，客串杜江主演的青春愛情片《高跟鞋先生》。
2017年，由微博時尚和OnlyLady聯合主辦的2017年度首屆“微博時尚盛典”在北京舉行，杜江霍思燕夫婦獲頒“年度最具時尚影響力CP”。10月，參演電影《英格力士》。
2018年，參加2018年中央電視臺元宵晚會，與常遠、王鷗、董力、王雅潔、黃訓國、魏允熙、優我女團反串表演《賣湯圓》。3月22日，霍思燕攜兒子嗯哼參加綜藝節目《媽媽是超人3》。7月，參加綜藝節目《妻子的浪漫旅行》。9月，受邀參加2018年中央廣播電視總臺中秋晚會；12月28日，其主演的喜劇電影《來電狂響》上映，在劇中飾演李楠。
2019年，參加2019年北京電視臺春節聯歡晚會。6月27日，參加的大型思索級深度情感訪談節目《你好媽媽》在東南衛視播出。6月28日，參加的融媒體互動扶貧節目《脫貧攻堅戰星光行動》在CCTV6電影頻道播出。10月23日，參加的互聯網公益節目《為愛下廚》第二季在騰訊視頻播出。11月6日，參加的夫妻觀察治愈節目《妻子的浪漫旅行》第三季在芒果TV播出。12月，參加綜藝節目《老師請回答》。12月21日，參加的綜藝節目《直通春晚》第三期在CCTV-3(綜藝頻道)播出。
2020年，參加的綜藝節目《黃金100秒》在央視播出。9月3日，參加的綜藝節目《海報里的英雄》第五期定檔在CCTV-3播出。10月14日，擔任第27屆華鼎獎專家評審委員會評委。
北京遇上西雅圖2017 飾演朱一然 導演潘鏡丞 主演杜江、吳秀波、金燕玲
追婚記2016-09-15 飾演白芍 導演劉愷 主演王陽明、譚凱、周楚楚
再見，老婆大人2016-05-17 飾演甄美仁 導演王曉明 主演杜江、王志飛、何賽飛
我愛男保姆2015-11-04 飾演陶樂 導演張曉波 主演袁姍姍、雷佳音、曹曦文
我的媳婦是女王2015-07-04 飾演李開心 導演俞鐘 主演雷佳音、曹征、顧艷
草帽警察 2015-02-12 飾演趙小靜 導演楊亞洲 主演李晨、杜江、喬紅
青年醫生2014-11-28 飾演李丹（客串） 導演趙寶剛、王迎 主演任重、張儷、張鐸
愛情面前誰怕誰2013-09-28 飾演余小漁 導演盧倫常 主演張曉龍、陳紫函、習雪
龍門鏢局2013-07-30 飾演昭儀 導演王勇、寧財神 主演袁詠儀、李倩、郭京飛
兄弟英雄2011-04-09 飾演蘇臻玉 導演連奕名 主演聶遠、連奕名、周揚
風車2011-04-05 飾演舒兆欣 導演孔笙 主演李晨、宋佳、章齡之
唐瑯探案2010-10-01 飾演蘇鶯鶯 導演何洛 羅剛 主演霍建華、曾黎、張萌
孽緣2010-05-18 飾演汪海靈 導演鐘澍佳 主演李晨、孫瑋、穎兒
天師鐘馗2010-02-23 飾演蘇妲己/蘇美娘 導演潘文杰、羅燦然、鄧慶 主演馮紹峰、歐陽震華、郭珍霓
愛要有你才完美2010-02-03 飾演徐孟菲 導演楊玄 主演朱雨辰、馮華南、譚俊彥
夫妻一場2009-11-25 飾演寧小燕 導演胡儲璽 主演馮紹峰、李立、吳曉敏
賢妻良母2009-09-09 飾演米米 導演吳錦源 主演鄭佩佩、白珊、岳耀利
玫瑰江湖2009-01-22 飾演君綺羅 導演袁英銘、王少杰 主演鐘漢良、孫菲菲、陳鍵鋒
生命有明天2008-04-27 飾演孫麗 導演翰韜、俊文、良成 主演吳鎮宇、宣萱、呂頌賢
最后的格格2008-02-22 飾演云香 導演劉逢聲、劉逢聲 主演陳鍵鋒、嚴寬、孫興
江湖往事2008-02-20 飾演趙小靈 導演李惠民 主演黃維德、熾龍、林湘萍
西安事變2007-12-24 飾演趙一荻 導演葉大鷹 主演胡軍、劉交心、唐國強
楊乃武與小白菜2006-11-07 飾演小白菜 導演高翊浚 主演邱心志、潘虹、修慶
大清后宮之還君明珠2006-07-10 飾演沈吟秋 導演張軒南 主演胡靜、黃維德、傅藝偉
像風一樣離去2006-06-29 飾演喬可欣 導演陳小雷 主演聶遠、黃覺、饒敏莉
新聊齋志異2005-12-13 飾演秋容 導演吳錦源 主演唐寧、TAE、林立雯
歡天喜地七仙女2005-07-21 飾演紫兒 導演胡貝易、江天、陳詠歌 主演鄭國霖、潘虹、楊蕊
嘉慶皇帝2005-07-18 飾演瓜兒 導演滕文驥 主演辛柏青、何冰、孫逸飛
六面埋伏2005-01-06 飾演小娜 導演張惠中 主演王剛、王姬、李嘉存
少年天子2003-09-18 飾演烏云珠 導演劉恒 主演潘虹、鄧超、郝蕾
換個活法2003-02-11 飾演易曉帆 導演史晨風 主演陶紅、張涵予、石蘭
女人湯2002-12-20 飾演高子 導演胡意涓 主演于波、劉小鋒、張延
錢王2002-12-18 飾演王小妹 導演于敏 主演趙文瑄、陳龍、斯琴高娃
孫中山2001-12-03 飾演區小妹 導演沈好放 主演趙文瑄、朱媛媛、梁冠華
星夢戀人2001-01-01 飾演何珊珊 導演王秋雨 主演趙文瑄、姜華、宋佳
陳真后傳2001 飾演公主 導演陳魯 主演梁小龍、何晴、毛樂
非常情網2001 飾演孟菲 主演聶遠、姚芊羽、劉蓓
九九歸一2000 飾演鄭秀兒 導演沈好放 主演陳剛、王馥荔、朱媛媛
貧嘴張大民的幸福生活2000 飾演張大雪 導演沈好放 主演梁冠華、朱媛媛、潘粵明
鐵齒銅牙紀曉嵐2000 飾演香草 導演劉家成、張國立、羅長安 主演張國立、張鐵林、王剛
來電狂響 2018-12-29 飾演李楠 導演于淼 主演佟大為
英格力士 2018 導演陳沖 主演王志文、袁泉
羅曼蒂克消亡史2016-12-16 飾演妓女 導演程耳 主演杜江、葛優、章子怡
午夜火車2013-03-08 飾演楊潔 導演張江南 主演李宗翰、惠英紅、王雙寶
王的盛宴2012-11-29 飾演戚夫人 導演陸川 主演吳彥祖、劉燁、秦嵐
二次曝光2012-09-29 飾演小西 導演李玉 主演范冰冰、馮紹峰、陳沖
飲食男女2：好近又好遠2012-03-23 飾演瓦兒 導演曹瑞原 主演藍正龍、歸亞蕾、張孝全
父親2011-12-21 飾演霍燕燕 導演肖央 主演肖央、王太利、徐璽涵
夢游3D2011-10-27 飾演歐碧儀 導演彭順 主演李心潔、李宗翰、楊采妮
贏家2011-04-21 飾演霍小燕 導演肖央 主演肖央、王太利、李悅然
大玩家2010-11-25 飾演云兒 導演牛朝陽 主演焦恩俊、孫興、斯琴高娃
迷城2010-10-22 飾演甘秀 導演章家瑞 主演郭曉然、葛思然、唐以諾
絕命島2010-10-12 飾演山寨妹 導演馮超 主演劉樺、林雪、戎祥
精武風云·陳真2010-09-21 飾演唯唯 導演劉偉強 主演甄子丹、余文樂、舒淇
龍鳳店2010-08-19 飾演長慈郡主 導演鐘澍佳 主演徐熙媛、任賢齊、潘長江
微笑圈2008-08-01 飾演海星 導演蒲劍 主演林依輪、王璐瑤、王佳一
天行者2006-11-14 飾演樂聰慧 導演阮士生 主演鄭伊健、張智霖、馮德倫
我要成名2006-09-01 飾演吳曉菲 導演劉國昌 主演劉青云、余安安、黎耀祥
微笑2004-08-16 飾演張雪 導演張建亞 主演王姬、邵兵、董勇
2006年5月31日，霍思燕參加“天使之翼”百萬助學行動，幫助貧困的孩子。
2010年9月27日，霍思燕作為《精武風云》主演之一和劇組在溫州舉辦慈善晚宴，共拍得善款63.8萬元，并全部捐贈給中國少年兒童基金會，用于建立“安康圖書館”工程。
2012年6月18日，霍思燕出席宋慶齡基金會慈善晚宴并拿出的其第一份“攝影作品”進行愛心拍賣，以幫助到貧困山區的留守兒童擺脫課間饑餓及得到營養改善。
2014年8月26日，霍思燕與丈夫杜江兩人出席北京“明星公民”五周年感恩盛典活動并獲得明星公民稱號。該項目旨在為災區兒童提供御寒衣物、書包文具等日常用品，為孩子們送去溫暖與歡樂。
2018年10月17日，擔任電影頻道節目中心主辦的大型公益項目“脫貧攻堅戰——星光行動”“星光調研員”。
2011 ? ?亞洲美容盛典 “年度品牌最愛明星獎項” ? ?（獲獎）
2011 ? ?“2011時尚先生盛典”“年度風尚女藝人” ? ? （獲獎）
2010 ? ?《風尚志》風尚權力榜“風尚質感女演員” ? ?（獲獎）
2009 ? ?年度風尚權利榜“風尚公益女明星” ? ? （獲獎）
2007 ? ?風尚中國年度風尚榜“年度風尚女士” ? ?（獲獎）
2010 ? ?北京科技周“科普公益大使” ? ?（獲獎）
2012 ? ?樂視影視盛典盤點類“最佳女演員” ? ?風車 ? ?（獲獎）
2012 ? ?樂視影視盛典電影最具實力演員 ? ? 飲食男女2012 ? ?（獲獎）
2011 ? ?搜狐視頻電視劇盛典最佳女演員 ? ?愛要有你才完美 ? ?（提名）
2011 ? ?第24屆東京國際電影節最佳女主角獎? ? 夢游3D ? ?（提名）
2010 ? ?第13屆上海國際電影節傳媒大獎最佳女主角獎 ? ? 迷城 ? ?（提名）
2008 ? ?中國香港電影金紫荊獎最佳女主角 ? ?最后的格格 ? ?（提名）
2007 ? ?西安曲江·國產電影新人新作展新銳演員獎 ? ?像風一樣離去 ? ?（獲獎）
2007 ? ?第26屆中國香港金像獎最佳新人獎 ? ? 我要成名 ? ?（提名）
2007 ? ?香港導演協會年度最佳新人銀獎 ? ? 我要成名 ? ?（獲獎）
2015-05-09 ? ?第二屆中美國際電視節最佳女主角獎 ? ? 草帽警察 ? ?（獲獎）
霍思燕出演過很多悲情色彩的影視劇作品，每每都能把一個個悲情角色表現的唯美和感人。她在電視劇《最后的格格》中飾演的“云香格格”有著波折起伏的人生，讓觀眾跟著她所飾演的角色心情起伏?；羲佳啾硌荼閼蚴请S手捻來，不動用任何的輔助工具眼淚是說來就來，因此，她的演技還得到了很多工作人員的認可。另外，霍思燕在電影《二次曝光》中飾演小西，給予角色清純的同時，還要有性感憂郁、俏皮可愛的感覺，她都很好的做到了如此復雜的表達。她還在電視劇《愛情面前誰怕誰》中，飾演一個平胸女余小漁，以夸張的表演方式以及犧牲自己的美感來促成角色的完滿，引起了很多網友的關注與認可。（新浪娛樂、網易娛樂評）
霍思燕在一組雜志寫真中，時而身著藍白條紋襯衫展現俏皮率性，時而身著撞色拼接毛衣，彰顯活潑靈動，甜美可愛的笑容又多了幾分嫵媚性感，宛如活力的俏皮女孩。（鳳凰娛樂評）
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