1998年，陪同学到文化经纪公司面试，结果汤唯却被录取；同年，汤唯参加中戏暑期表演培训班时，有位指导老师建议她去考导演系。之后汤唯在一位导演系朋友的帮助下开始学习导演系基础知识，以专业课第三的成绩拿到了准考证，但文化课没有通过。
2000年，通过继续复读再参加高考，终于考入中央戏剧学院。
1997年，参演了电视剧《中国女足》，在剧中出演守门员一角。
2001年，出演了赖声川的话剧《如梦之梦》。
2004年，参加了“环球小姐”选美比赛，获得北京赛区第五名的成绩；同年，出演了电视剧《后海前街》和《兄弟如手足》。
2005年，在袁鸿的推荐下，汤唯被杨婷选中出演话剧《切·格瓦拉》。
2006年3月29日，主演的银幕处女作《警花燕子》上映；同年，出演了都市情感剧《女人不哭》。
2007年11月1日，与梁朝伟合作主演的剧情片《色·戒》上映，并凭借该角色获得第44届台湾电影金马奖最佳新人奖。
2008年，汤唯通过香港特别行政区政府的“优秀人才入境计划”获得香港居民身份，令她在工作上的自由度扩大；同年，主演的电视剧《生死兄弟》（又名《生于六十年代》）播出。
2010年4月1日，搭档张学友出演的由岸西执导的爱情片《月满轩尼诗》上映，她凭借该片中的表现提名了金马、金像奖最佳女主角，并在第十一届华语电影传媒大奖上夺得最佳女主角奖。
2011年2月17日，与玄彬领衔主演的文艺片《晚秋》在韩国上映，她并凭该片获得第47届韩国百想艺术大赏最佳女主角奖，成为韩国三大奖历史上首位获得最佳女主角的外国女演员。7月4日，与金城武、甄子丹合作出演由陈可辛执导的古装武侠片《武侠》上映。
2012年10月4日，与安圣基一同担任第17届釜山国际电影节开幕式主持人，这是韩国釜山电影节历史上首次由外国演员担任开幕式主持人。
2013年3月21日，参演的由薛晓路执导的爱情片《北京遇上西雅图》上映；6月5日，在播出的搜狐网剧《屌丝男士2》中客串出演文艺片女神。
2014年10月1日，与冯绍峰合作主演的文艺爱情片《黄金时代》上映。
2015年1月16日，与克里斯·海姆斯沃斯合作主演的动作片《骇客交锋》在美国上映；7月24日，与廖凡合作主演的爱情喜剧片《命中注定》上映；8月27日，搭档刘青云主演的剧情片《三城记》上映。
2016年4月29日，与薛晓路导演二度合作的爱情片《北京遇上西雅图之不二情书》上映，该片取得了7.9亿元的票房成绩，刷新了华语爱情片票房纪录。
2018年12月31日，参演的由毕赣执导的文艺片《地球最后的夜晚》上映。
2019年12月6日，与薛晓路导演三度合作的犯罪悬疑电影《吹哨人》上映；12月17日，领衔主演的古装宫廷剧《大明风华》播出，这是汤唯首部古装剧作品。
2020年3月，确定出演金泰勇执导的电影《仙境》；同年10月，确定出演朴赞郁导演的电影《分手的决心》。
《北京遇上西雅图》、《月满轩尼诗》、《北京遇上西雅图之不二情书》、《命中注定》、《吹哨人》、《晚秋》、《骇客交锋》、《地球最后的夜晚》、《分手的决心》等。
《大明风华》、《女人不哭》、《红旗渠的儿女们》、《后海前街》、《生死兄弟》、《情牵那拉提》等。
《曾经也想过一了百了》、《의 사랑》、《永远的微笑》、《们的老地方》、《交换爱情》等。
2008年，获第51届戛纳国际电影节肖邦奖-最佳新人女演员奖。
2011年，提名第30届香港电影金像奖最佳女主角-《月满轩尼诗》。
2012年，提名第31届香港电影金像奖最佳女主角-《武侠》。
2014年，提名第33届香港电影金像奖最佳女主角-《北京遇上西雅图》。
2015年，提名第34届香港电影金像奖最佳女主角-《黄金时代》。
2016年，提名第35届香港电影金像奖最佳女主角-《三城记》。
2017年，提名第36届香港电影金像奖最佳女主角-《北京遇上西雅图之不二情书》。
2007年，提名第44届台湾电影金马奖最佳女主角-《色·戒》。
2007年，获第44届台湾电影金马奖最佳新演员奖-《色·戒》。
2010年，提名第47届台湾电影金马奖最佳女主角-《月满轩尼诗》。
2014年，提名第51届台湾电影金马奖最佳女主角-《黄金时代》。
2011年，获第47届韩国百想艺术大赏电影类奖项-最佳女主角奖-《晚秋》。
2011年，提名第47届韩国百想艺术大赏最佳人气女演员-《晚秋》。
2004年，获第11届好莱坞电影奖“综艺十大瞩目”新演员奖-《色·戒》。
2005年，获第6届电视电影百合奖优秀女演员奖-《警花燕子》。
2008年，获第4届日本大阪电影节最佳女主角奖《色·戒》。
2008年，获第13届日本因特网电影大奖最佳新人奖《色·戒》。
2011年，获第12届釜山影评家奖最佳女主角奖-《晚秋》。
2011年，获第31届韩国影评奖最佳女主角奖-《晚秋》。
2012年，获韩国MBC Radio电影奖最佳女主角奖-《晚秋》。
2013年，获第7届FIRST青年电影展最受青年注目华语电影人(女演员)-《北京遇上西雅图》。
2013年，获第10届广州大学生电影节最受欢迎女演员奖-《北京遇上西雅图》。
2014年，获第2届伦敦国际华语电影节最佳女主角奖《黄金时代》。
2014年，获第6届澳洲国际华语电影节“金龙奖”最佳女主角奖-《黄金时代》。
2014年，获第4届豆瓣电影鑫像奖最佳女主角奖-《北京遇上西雅图》。
2014年，获第21届北京大学生电影节最佳女演员奖-《北京遇上西雅图》。
2015年，获香港电影导演会最佳女主角奖-《黄金时代》。
汤唯的表演沉着内敛、收放自如，她有层次的表演把王佳芝演绎得令人信服，具备了优秀演员的潜力和素质，是一个出色的演员（新民晚报评）。
汤唯有一种特别的专注力，可塑性非常大，有戏剧学院的底子，她的未来还有更多的可能（赖声川评）。
汤唯演技过硬，加之选片眼光精准，艺术深度和深入人心接地气的形象均不缺少（南海网评）。
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