1999年，参演首部电影《春天的狂想》，凭借饰演的周小玫一 角获得第19届中国电影金鸡奖最佳女配角奖；同年，出演首部话剧《梁祝》。

2000年，参演霍建起导演的电影《蓝色爱情》，凭借饰演的刘云一角获得第8届北京大学生电影节最佳女演员奖以及第21届中国电影金鸡奖最佳女主角提名。

2002年，参演电视剧《有情鸳鸯无情剑》、《旋涡》；同年，凭借电影《美丽的大脚》获得第22届中国电影金鸡奖最佳女配角奖。

2003年，与夏雨、梁静合作出演电影《警察有约》。

2004年，出演王晶导演的电视剧《小鱼儿与花无缺》，饰演苏樱一角。

2005年，出演大型多媒体音乐话剧《琥珀》，该剧演出门票在香港三天内预售达到3000张，创下香港话剧的销售纪录；同年，参演电影《上海伦巴》。

2006年，6月，主演的话剧《电影之歌》举行全国巡演；10月，赴北京参与话剧《暗恋桃花源》的彩排；11月，在话剧《暗恋桃花源》中饰演温柔婉约的云之凡，并演唱主题曲《暗恋》。

2006年，参演电视剧《花之恋》。

2007年，3月，凭借专辑《孤独的花朵》获得第十四届东方风云榜颁奖 礼“最佳音乐录影带奖”；4月，在北京王府井举办《孤独的花朵》音乐作品集签售会；5月，入选“中国话剧百年名人堂”；11月，获得2007大学生音乐节颁奖典礼年度最受欢迎女歌手奖。

2008年，1月，获得新浪网络盛典年度内地女歌手奖；7月，发行EP《台北》。

2009年，1月，发行EP《ShortStay北京》；4月，凭借专辑《ShortStay台北/冲绳》获得第九届音乐风云榜年度盛典最佳EP专辑奖10月，凭借电影《如梦》获得第46届台湾电影金马奖最佳女主角提名。

2010年，在《新京报》举办的“中国最美50人”评选中排名第29位。

2012年，出演电影《大上海》，在片中饰演一代京剧名伶叶知秋。

2013年，参演电影《扫毒》，在剧中饰演阿秋的妻子；同年，参演电影《澳门风云2》，饰演小马妻。

2014年，参演电影《心花路放》同年，参演电影《黄金时代》。

2016年，参演赵薇导演作品《没有别的爱》；8月18日，参演的动作电影《危城》上映；12月16日，参演的电影《罗曼蒂克消亡史》上映。

2017年7月4日，主演的都市情感剧《我的前半生》首播，该剧由沈严执导，袁泉在剧中饰演了职场女强人唐晶一角。

2018年3月15日，袁泉凭借电视剧《我的前半生》中唐晶一角获得2018电视剧品质盛典“年度表演剧星”；同年4月，与陆毅合作出演了现实主义题材剧《风再起时》，剧中饰演女主角何晓莺。主演电影《中国机长》，取材川航备降事件。

2020年，主演徐峥执导电影《囧妈》。