2003–2006

Han pertama pertama kali dikenali selepas mengambil bahagian dalam sebuah pertandingan ratu cantik remaja anjuran Binggrae pada tahun 2003. Beliau memulakan karier lakonannya dalam sitkom Nonstop 5 dan filem komedi, My Boss, My Teacher. Han kemudiannya dipilih untuk berlakon dalam Spring Waltz, drama keempat dan yang terakhir dalam siri "Endless Love" arahan pengarah, Yoon Seok-ho.[1] Pada tahun 2006, pengarah Lee Yoon-ki memilih Han untuk membintangi filem berbajet rendah, Ad-lib Night. Beliau memenangi Anugerah Pelakon Baru Wanita Terbaik di Anugerah Persatuan Pengkritik Filem Korea dan Festival Filem Antarabangsa Singapura untuk persembahan lakonannya.

2007–2010

Han kemudiannya membintangi drama KBS1, Like Land and Sky bersama Park Hae-jin pada tahun 2007 dan drama SBS, Iljimae bersama Lee Joon-gi pada tahun 2008. Kedua-dua drama mencapai rating tontonan yang memberangsangkan. Selepas itu, beliau membintangi sebuah lagi filem indie, Ride Away yang ditayangkan di Festival Filem Antarabangsa Jeonju 2008. Han membintangi filem penerbitan bersama Korea-Jepun, Heaven's Postman pada tahun 2008. Selepas beberapa kali ditangguhkan, filem ini ditayangkan di teater pada lewat tahun 2009 dan disiarkan di TV pada tahun 2010.

Drama yang melonjakkan nama Han adalah Brilliant Legacy yang juga dibintangi Lee Seung-gi. Drama ini terkenal pada tahun 2009 dengan mencapai rating tontonan setinggi 47.1%. Drama ini berjaya melonjakkan populariti Han dan selepas drama ini tamat, beliau menerima pelbagai kontrak pengiklanan serta mencapai peningkatan populariti di Asia.[2] Kemudiannya pada tahun itu, Han membintangi drama muzikal, Soul Special. Drama ini disiarkan dalam dua belas segmen di pelbagai portal dalam talian dengan saluran KBS Joy menyiarkan keseluruhan drama dalam empat bahagian.

Pada tahun 2010, Han melakonkan watak utama dalam projek ulang tahun ke-49 MBC, Dong Yi.[3] Han memenangi beberapa anugerah untuk peranannya sebagai Choi Suk-bin termasuk Anugerah Daesang (Anugerah Utama) di Anugerah Drama MBC dan Anugerah Pelakon Wanita Terbaik di Anugerah Seni Baeksang sekaligus mengukuhkan statusnya sebagai bintang Hallyu.

2011–2015

Pada tahun 2011, beliau melakonkan watak seorang pemasar dalam talian yang buta di dalam filem melodrama, Always yang juga dibintangi So Ji-sub.[4] Filem arahan Song Il-gon ini dibuka di Festival Filem Antarabangsa Busan 2011. Han kemudiannya menyumbangkan suara untuk filem Jepun, My Back Page.[5] Han kemudiannya melakonkan watak ratu kepada Gwanghae di dalam filem sejarah tahun 2012, Masquerade yang menjadi salah satu filem Korea Selatan dengan kutipan tertinggi sepanjang masa. Beliau kemudiannya membintangi filem Love 911 bersama Go Soo.[6]

Han membintangi bersama-sama Sol Kyung-gu dan Jung Woo-sung di dalam filem aksi seram ngeri, Cold Eyes. Filem merupakan sebuah buatan semula filem Hong Kong tahun 2007, Eye in the Sky. Filem ini mendominasi box office selepas ia ditayangkan dan merupakan salah satu filem domestik dengan kutipan tertinggi pada tahun 2013.[7] Beliau memenangi kategori Pelakon Wanita Terbaik di Anugerah Filem Blue Dragon dan Anugerah Filem Buil.

Pada tahun 2014, Han bersatu semula bersama bintang Love 911, Go Soo di dalam filem pendek, Myohyangsangwan yang menggambarkan pertemuan seorang pelukis Korea Selatan dan seorang pelayan restoran Korea Utara di dalam sebuah restoran Korea Utara. Filem ini merupakan sebuah kolaborasi bersama Moon Kyung-won dan Jeon Joon-ho. Beliau kemudiannya membintangi filem Jepun pertamanya, Miracle Devil Claus' Love and Magic.[8]

Pada tahun 2015, Han membintangi filem muzikal biopik, C'est Si Bon yang menceritakan tentang kumpulan muzik Twin Folio yang aktif dari 1960-an hingga 80-an.[9] Ia disusuli dengan filem romantik komedi, The Beauty Inside dimana karakter Han jatuh cinta dengan seorang lelaki yang berubah menjadi orang berbeza setiap hari.[10] Han kemudiannya membintangi filem Love, Lies yang menggambarkan cerita terakhir gisaeng ketika pendudukan Jepun semasa era 1940-an.

2016–sekarang

Pada tahun 2016, Han bersama-sama Lee Jong-suk membintangi drama fantasi thriller, W yang disiarkan menerusi saluran MBC. Diarahkan oleh Jung Dae-yoon, ia merupakan kemunculan kembali Han dalam drama televisyen selepas 6 tahun.[11] Beliau memenangi Anugerah Kecemerlangan Tertinggi di Anugerah Bintang APAN ke–5 dan Anugerah Drama MBC untuk persembahan lakonannya di dalam drama ini. Pada tahun 2017, Han telah dipilih untuk berlakon di dalam filem thriller, Golden Slumber bersama Kang Dong-won.[12] Beliau juga telah dipilih untuk melakonkan watak utama di dalam filem In-rang, berdasarkan anime Jepun.[13]