1996–2004

Pada tahun 1996, Song yang berumur 14 tahun ketika itu memenangi tempat pertama dalam Pertandingan Model Smart SunKyung dan beliau membuat penampilan hiburan pertamanya sebagai seorang model untuk syarikat tersebut.[1] Beliau kemudiannya diberikan peranan kecil di dalam drama First Love. Beliau terus muncul di dalam pelbagai drama dan sitkom termasuk Soonpoong Clinic sebelum mula dikenali selepas membintangi drama KBS, Autumn in My Heart pada tahun 2000.

Pada tahun 2003, populariti Song terus meningkat selepas beliau membintangi bersama Lee Byung-hun di dalam drama All In. Drama ini mencapai rating agihan penonton setinggi 47.7%. Pada tahun berikutnya, beliau membintangi bersama Rain di dalam drama romantik komedi, Full House. Drama ini terkenal di Asia dan menjadikan Song sebagai salah seorang pelakon wanita Korea paling terkenal di Asia.

2005–2012

Pada awal tahun 2005, beliau menetap di San Francisco untuk mempelajari Bahasa Inggeris dan kemudiannya di Seattle.[2] Pada tahun yang sama, Song membuat penampilan filem pertamanya di dalam My Girl and I (sebuah buatan semula filem Crying Out Love in the Center of the World).

Beliau kembali berlakon pada tahun 2007 di dalam adaptasi filem Hwang Jin Yi.[3] Jun Ji-hyun dan Soo Ae merupakan pilihan asal penerbit untuk melakonkan watak Hwang Jin-yi sebelum Song dipilih.[4] Setahun kemudian, beliau membuat penampilan Amerika Syarikat pertamanya di dalam filem indie Hollywood, Make Yourself at Home (sebelum ini bertajuk Fetish).[5]

Beliau kembali berlakon dalam TV pada lewat tahun 2008 menerusi drama Worlds Within yang juga dibintangi Hyun Bin.[6] Pada tahun 2010, beliau membintangi filem antologi Camellia yang terdiri daripada tiga filem pendek. Song muncul di dalam segmen terakhir filem ini, Love for Sale bersama Kang Dong-won.[7]

Song kemudiannya membintangi filem A Reason to Live dimana selepas beberapa kali ditangguhkan, filem ini akhirnya ditayangkan pada bulan Oktober 2011.[8] Pada tahun 2011, beliau menjadi pelakon wanita Asia pertama untuk menandatangani kontrak bersama agensi global Perancis, Effigies.[9] Song juga melakonkan watak sokongan di dalam filem The Grandmaster.[10]

2013–sekarang

Song bersatu kembali bersama penulis dan pengarah Worlds Within untuk drama That Winter, the Wind Blows, sebuah buatan semula drama Jepun tahun 2002, Ai Nante Irane Yo, Natsu ("I Don't Need Love, Summer"). Untuk persembahan lakonannya di dalam drama ini, Song memenangi Daesang (atau "Anugerah Utama") di Anugerah Bintang APAN ke–2.[11]

Pada tahun 2014, Song bersatu kembali bersama Kang Dong-won di dalam filem My Brilliant Life, adaptasi novel Kim Aeran bertajuk My Palpitating Life.[12] Song membintangi filem China keduanya, The Crossing diarahkan oleh John Woo. Song membintangi sebuah lagi filem China pada tahun 2015, The Queens.[13]

Pada tahun 2016, Song membintangi drama romantik komedi, Descendants of the Sun bersama-sama Song Joong-ki.[14] Drama ini mencapai populariti luar biasa di Korea Selatan dengan episod terakhir merekodkan rating agihan penonton setinggi 41.6% dan juga di China dimana ia ditonton 2.5 bilion menerusi laman iQiyi.[15] Song memenangi Daesang di Anugerah Drama KBS 2016.[16]