2009-2014

Peranan lakonan pertama Kim adalah dalam filem tahun 2009, A Brand New Life arahan Ounie Lecomte. Kim menghadiri Festival Filem Cannes untuk filem tersebut dan merupakan pelakon wanita termuda untuk dijemput ke festival tersebut.[4][5][6] Beliau kemudiannya membintangi filem The Man From Nowhere bersama Won Bin, yang mana filem itu merupakan filem dengan kutipan tertinggi di Korea Selatan pada tahun 2010.[7] Kim memenangi beberapa anugerah untuk dua filem pertamanya termasuk Pelakon Baru Wanita Terbaik di Anugerah Filem Korea dan Anugerah Filem Buil.[8]

Pada tahun 2011, Kim mempunyai peranan dalam filem I Am a Dad. Peranan drama pertamanya adalah dalam Can You Hear My Heart? sebagai versi muda watak Hwang Jung-eum. Beliau muncul dalam empat episod pertama dan persembahan lakonannya dipuji oleh pengkritik drama.[2] Beliau kemudiannya muncul dalam filem Barbie bersama adiknya, Ah-ron. Kim melakonkan dua peranan dalam filem seram ngeri, The Neighbor.[2] Pada tahun 2013, beliau berlakon dalam drama The Queen's Classroom, yang mana beliau mememangi Pelakon Muda Wanita Terbaik di Anugerah Drama MBC 2013 (berkongsi bersama tiga pelakon lain).

Peranan lakonan pertama Kim pada tahun 2014 adalah dalam filem dokumentari-drama, Manshin: Ten Thousand Spirits, sebagai versi remaja Kim Geum-hwa.[9] Beliau kemudiannya melakonkan watak mangsa buli dan keganasan domestik dalam filem A Girl at My Door.[10] Kim menghadiri Festival Filem Cannes buat kali kedua untuk filem tersebut.[6][11] Persembahan lakonan beliau dipuji secara meluas oleh pengkritik filem termasuk daripada majalah Variety dan Twitch Film.[12][13] Beliau dicalonkan untuk pelbagai anugerah dan memenangi Pelakon Baru Wanita Terbaik di Anugerah Filem Blue Dragon ke-35 dan Anugerah Sinematografi Emas.[14] Juga pada tahun 2014, beliau membintangi drama Hi! School: Love On dan filem seram ngeri Manhole.[15][16]

2015-sekarang

Pada tahun 2015, Kim melakonkan watak utama dalam rancangan istimewa Drama City, iaitu Snowy Road. Drama dua bahagian ini kemudiannya dikeluarkan sebagai filem di teater.[17][18] Persembahan lakonan Kim dipuji oleh pengkritik drama dan penonton. Beliau kemudiannya memenangi Pelakon Wanita Terbaik dalam Filem Asing di Festival Filem Golden Rooster dan Hundred Flowers.[14][18][19] Beliau kemudiannya melakonkan watak utama dalam drama To Be Continued dan versi muda karakter Choi Kang-hee dalam drama Glamorous Temptation.[20][21] Beliau membintangi drama tahun 2016, Mirror of the Witch. Pada bulan November 2016, Kim menyertai YG Entertainment.[22]