Pada tahun 2012, Kim mengambil bahagian dalam K-pop Star 2 ketika berumur 16 tahun.[1][2] Beliau gagal melepasi ujian pemilihan ranking pusingan kedua tetapi Yang Hyun-suk membawanya masuk semula menerusi wildcard untuk pusingan pemilihan dimana beliau menyanyikan lagu Taeyang, "I Need A Girl" bersama Jo Yoo-min.[3] YG memilih kedua-dua mereka dan meletakkan Kim sekumpulan dengan Nicole Curry dan Lee Soo Kyung untuk pusingan pemilihan terakhir. Semasa akhir pusingan, beliau tidak dipilih oleh YG Entertainment, JYP Entertainment atau SM Entertainment dan tersingkir daripada pertandingan.[4]

Produce 101 dan I.O.I

Pada bulan Januari 2016, beliau bersama-sama Kim Na-young dan Kang Mi-na mewakili Jellyfish Entertainment di dalam rancangan realiti Produce 101 untuk peluang membuat kemunculan pertama di dalam sebuah kumpulan wanita Mnet.[5] Ketiga-tiga mereka diletakkan dalam "Kumpulan A" dalam episod pertama program tersebut dan beliau menunjukkan tahap yang tinggi sokongan pungutan suara mingguan dan mengekalkan ranking populariti yang tinggi sepanjang program. Beliau menduduki tempat pertama dalam beberapa episod. Program ini berakhir pada 1 April 2016 dan barisan terakhir ahli kumpulan I.O.I diumumkan. Beliau menduduki tempat kedua keseluruhan dengan 525,352 undi, menjadikannya beliau ahli kumpulan wanita tersebut.

Gugudan dan aktiviti solo

Perancangan untuk Kim mengacarakan program baru KBS, Talents for Sale bersama-sama Kim Jong-kook, Lee Seo-jin dan Noh Hong-chul diumumkan pada bulan April 2016.[6] Pada 10 Jun 2016, YMC Entertainment mendedahkan bahawa Kim tidak akan mengambil bahagian dalam promosi sub-unit I.O.I sebaliknya akan kembali ke agensi beliau untuk membuat kemunculan pertama dan mempromosi bersama kumpulan wanita agensi tersebut.[7] Pada 28 Jun 2016, Kim secara rasminya membuat kemunculan pertama sebagai ahli kumpulan Gugudan. Pada 23 November 2016, Kim mengambil bahagian dalam projek saluran muzik Jellyfish Entertainment, Jelly Box dan mengeluarkan lagu "Flower Way" yang diterbitkan oleh Zico dari Block B bersama-sama sebuah video muzik.[8] Kim memenangi trofi program muzik pertamanya sebagai penyanyi solo menerusi lagu "Flower Way" di dalam siaran 30 November Show Champion.[9]

Pada 12 Januari 2017, Kim mengeluarkan lagu "If Only" untuk runut bunyi drama The Legend of the Blue Sea.[10] Pada bulan yang sama, beliau menjadi pengacara tetap Get It Beauty.[11] Pada bulan Julai 2017, beliau membuat penampilan lakonan pertamanya sebagai watak utama di dalam drama KBS2, School 2017.[12] Beliau kemudiannya menyanyikan lagu "Star Blossom" untuk SM Station bersama Doyoung dari NCT. Pada bulan September 2017, Kim telah disahkan akan menjadi ahli rancangan aneka ragam Netflix, Busted!.[13]

Pada bulan Jun 2018, sebuah kumpulan sub Gugudan, Gugudan Semina dibentuk dengan ahli terdiri daripada Sejeong, Mina dan Nayoung. Mereka membuat debut pada 10 Julai 2018. Pada bulan September 2018, Sejeong mengeluarkan lagu "Lover" untuk runut bunyi asal drama Mr. Sunshine.[14]