2003年，4歲的金裕貞陪著姐姐參加比賽卻意外獲得最受歡迎獎，通過拍攝廣告正式出道 。
2004年，參演電影《非武裝地帶DMZ》。
2005年7月，出演由樸贊郁執導的懸疑電影《親切的金子》 ；10月，出演情感電影《我一生最美麗的一周》，飾演身患絕癥的女孩真雅，憑借該片入圍第43屆韓國電影大鐘獎最佳新人女演員獎 。
2006年，參演電影《方糖》，飾演女主角林秀晶的童年時代 ；同年，參演情感電影《突然有一天之第四層》，飾演與母親相依為命的女孩汝珠熙 。
2008年5月，參演古裝劇《一枝梅》，飾演女主角韓孝周的童年時代；9月，參演《風之畫員》，飾演女主角文瑾瑩的童年時代。
2009年，出演災難電影《海云臺》，飾演小小年紀就親歷了海嘯災難的女孩智敏，該片票房達1145萬3338觀影人次 。
2010年3月，參演古裝歷史劇《同伊》，飾演女主角韓孝周的童年時代；7月，主演古裝奇幻劇《九尾狐之狐貍姐姐傳》，飾演非常依戀母親的女孩妍伊；10月，在家庭劇《欲望的火花》中一人分飾兩角，憑借該劇獲得MBC演技大賞青少年演技獎。
2012年2月，主演古裝劇《擁抱太陽的月亮》，飾演女人公許煙雨的少女時代，憑借少女許煙雨一角獲得MBC演技大賞最佳童星獎，并入圍第48屆百想藝術大賞電視部門最佳新人女演員獎 。
2013年6月，金裕貞作為國民代表參加顯忠日緬懷會，獲得由韓國總統樸槿惠親自頒發的愛國大樹徽章 ；11月，主演動作電影《同窗生》 。
2014年3月，主演電影《優雅的謊言》，飾演表面開朗善良暗地卻孤立朋友的花妍，憑借該片入圍第35屆韓國青龍電影獎最佳新人女演員獎 ；9月，與李帝勛、韓石奎合作主演古裝劇《秘密之門》，飾演骨子里非常自由的女孩徐池談 ；11月，擔任SBS音樂節目《人氣歌謠》固定主持人 。
2015年3月，主演MBC水木劇《憤怒的媽媽》，飾演很有正義感的女高中生吳雅蘭，憑借該劇獲得MBC演技大賞十大明星獎 ；7月，與車太賢搭檔主演電影《因為愛》 ；10月，與成東鎰合作主演懸疑電影《秘密》，飾演李靜賢 。
2016年，主演KBS月火劇《云畫的月光》，飾演女扮男裝、以內侍身份入宮的戀愛咨詢專家洪樂瑥 。該劇播出第四周平均收視率突破20%，位居同時段收視冠軍 ，金裕貞獲得韓國蓋洛普2016年最閃耀的電視劇演員第四，成為首位進入民調排行榜的10代演員 ，并憑借該劇獲得KBS演技大賞中篇電視劇部門優秀演技獎 。
2018年，主演JTBC愛情喜劇《先熱情地清掃吧》，不拘小節、明亮可愛的少女吉五雪 。
2020年，主演SBS新劇《便利店新星》，飾演便利店打工生鄭新星，是一個維護社會正義的四次元純情惡女。