袁泉出生于湖北省荆州市，11岁时考入中国戏曲学院附中，开始了7年的京剧表演学习。1996年考入中央戏剧学院，和同届的章子怡、梅婷、胡静、曾黎、傅晶、秦海璐并称“七朵金花”。
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，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，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，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，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，凭借话剧《简·爱》获得第26届中国戏剧梅花奖。随后，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》。12月28日，与黄渤、倪大红等合作主演的谍战剧《锋刃》在央视一套播出。
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，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。8月，领衔主演由陈冲编剧执导的剧情片《英格力士》。10月26日，主演的交通救捞题材电视剧《碧海雄心》于山东卫视和央视播出。
2018年，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。
2019年，与胡军合作出演的电影《音乐家》上映。同年，袁泉加盟由乌尔善导演执导的电影《封神三部曲》，在片中饰演姜王后。9月30日，与张涵予、欧豪、杜江合作主演的传记灾难电影《中国机长》上映，片中饰演乘务长毕男。11月，参演电视剧《庆余年》播出。12月20日，出演的都市律政剧《精英律师》在东方卫视、北京卫视首播，并在爱奇艺、腾讯视频同步播出。
2020年，袁泉出演的由徐峥执导的电影《囧妈》于1月25日（大年初一）上线网络播出。6月10日，由简川訸执导，袁泉、雷佳音、张艺兴、贾乃亮等出演的正午阳光新剧《落花时节》开机拍摄。11月，凭借电影《中国机长》获得第33届中国电影金鸡奖最佳女配角奖。
囧妈 2020-01-25 饰演张璐 导演徐峥 主演徐峥、黄梅莹
中国机长 2019-09-30 饰演毕男 导演刘伟强 主演张涵予、欧豪
英格力士2018 导演陈冲 主演王志文、霍思燕、王传君
罗曼蒂克消亡史2016-12-16 饰演吴小姐 导演程耳 主演葛优、吕行
危城2016-08-18 饰演周素素 导演陈木胜 主演刘青云、古天乐、彭于晏
没有别的爱2016 导演赵薇 主演陈冲、戴立忍、宁静
澳门风云22015 饰演小马妻 导演王晶 主演周润发、张家辉、刘嘉玲
黄金时代2014 饰演梅志 导演许鞍华 主演汤唯
后会无期2014 饰演刘莺莺 导演韩寒 主演陈柏霖、陈乔恩、冯绍峰
心花路放2014 饰演康小雨 导演宁浩 主演黄渤、徐峥、周冬雨
扫毒2013 饰演袁可儿 导演陈木胜 主演古天乐、刘青云、张家辉
大上海2012 饰演叶知秋 导演王晶 主演周润发、黄晓明、吴镇宇
跟我的前妻谈恋爱2009 饰演俞晓红 导演李公乐 主演陈坤、陆毅
如梦2009 饰演艾玲/依依 导演罗卓瑶 主演吴彦祖
上海伦巴2005 饰演婉玉 导演彭小莲 主演夏雨、高鑫、管艺
警察有约2003 饰演眼睛对象 导演徐耿 主演夏雨、梁静、伍宇娟
美丽的大脚2002 饰演夏雨 导演杨亚洲 主演倪萍、孙海英
蓝色爱情2000 饰演刘云 导演霍建起 主演潘粤明、董勇
上海纪事2000 饰演李惠荣 导演彭小莲 主演王亚楠、刘琼、韦力
海南海南2000 导演张元 主演朴树、周迅、陈羽凡
春天的狂想1999 饰演周小玫 导演滕文骥 主演朴阳、邵兵、瞿颖
精英律师2019-12-20 饰演杨帆 导演刘进 主演靳东、蓝盈莹、刘敏涛
庆余年2019-11-26 饰演叶教授 导演孙皓 主演张若昀、李沁、陈道明
风再起时2018-00 饰演何晓莺 导演付宁 主演陆毅、朱雨辰、徐洪浩
我的前半生2017-07-04 饰演唐晶 导演沈严 主演靳东、马伊琍、雷佳音
碧海雄心2017 饰演林越 导演陈健、姜国民 主演张国强、陈思成、王媛可
锋刃2014 饰演莫燕萍 导演刘逢声 主演黄渤、倪大红、孙坚
阴丹士林2008 饰演林瑞喜 导演鄢颇 主演李小冉、严屹宽、杨奇鸣
花之恋2006 饰演王嘉琳 导演赖建国 主演翁倩玉、张国柱、王宗尧
完美2005-02-11 饰演白璇 导演张建栋 主演王学兵、孙菲菲、原华
白屋之恋2005 饰演杨岚 导演黄志翔 主演何润东、牛萌萌、佟晨洁
爱在边缘2004 饰演江新月 导演陈应歧 主演吴若甫、于小慧、王 强
烈爱2004 饰演英爱 导演蔡岳勋 主演朴诗恩、修杰楷、巫迪文
小鱼儿与花无缺2004 饰演苏樱 导演王晶 主演范冰冰、张卫健、谢霆锋
天剑群侠2003 饰演仙姬绿母 导演刘海波 主演岳翎、邵峰、孙耀威
旋涡2002 饰演尚朵 导演张番番 主演尤勇、王澜、许亚军
有情鸳鸯无情剑2002 饰演元娟 导演陈会毅 主演刘烨、高宝宝、成泰燊
完美夏天2002 饰演欣雨 导演郭靖宇 主演江珊、杨志刚、黄勐
吕布与貂蝉2001 饰演董媛 导演陈凯歌 主演尤勇、李小璐、耿乐
爱情的滋味2001 饰演赵晨 导演杨亚洲 主演姜武、吴越、刘冠军
青春不解风情2001 饰演白凌 导演郭靖宇 主演姜武、邵峰、章艳敏
2020 第33届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 中国机长 （获奖）
2020 第35届大众电影百花奖最佳女配角 中国机长 （获奖）
2020 第8届温哥华华语电影节“红枫叶奖”最佳女主角奖 《音乐节》 （获奖）
2020 首届“光影中国”电影荣誉盛典2019年度荣誉推介女演员 中国机长 （获奖）
2020 第一届2019年度荣誉推介女演员 《中国机长》 （获奖）
2019 第11届澳门国际电影节 最佳女配角奖 中国机长 （提名）
2019 第1届湖北电影金鹤奖最佳女配角奖 音乐家 （获奖）
2018 2018电视剧品质盛典年度表演剧星 我的前半生 （获奖）
2018 第24届上海电视节-白玉兰奖最佳女主角奖 我的前半生 （提名）
2018 第29届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖 我的前半生 （提名）
2018 2017国剧盛典年度魅力风云剧星 （获奖）
2017 第8届中国电影导演协会年度女演员奖 罗曼蒂克消亡史 （提名）
2017 第8届澳门国际电视节最佳女配角奖 我的前半生 （提名）
2014 第32届大众电影百花奖最佳女配角奖 扫毒 （提名）
2013 第26届中国戏剧奖·梅花表演奖 简·爱 （获奖）
2011 第1届戏剧表演学院奖最佳主角奖 简·爱 （获奖）
2010 第7届中国话剧金狮奖表演奖 简·爱 （获奖）
2009 第46届台湾电影金马奖最佳女主角奖 如梦 （提名）
2005 《北京青年周刊》年度最佳女演员奖 （获奖）
2003 第9届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖 美丽的大脚 （获奖）
2003 第9届中国电影华表奖优秀女演员奖 美丽的大脚 （提名）
2003 第26届大众电影百花奖最佳女配角奖 美丽的大脚 （获奖）
2002 第22届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 美丽的大脚 （获奖）
2002 第2届华语电影传媒大奖最佳女演员奖 蓝色爱情 （提名）
2001 第21届中国电影金鸡奖最佳女主角奖 蓝色爱情 （提名）
2001 第8届北京大学生电影节最佳女演员奖 蓝色爱情 （获奖）
1999 第19届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 春天的狂想 （获奖）
1999 第19届中国电影金鸡奖最佳女主角奖 上海纪事 （提名）
2012 第12届微博年度女神 黄金时代 （获奖）
2009 世界明星旅行家颁奖典礼“10大明星旅行家” （获奖）
2009 "大爱2008·时尚盛典"年度明星行动大奖 （获奖）
2009 “见证十年·真维斯娱乐大典”最具影响力时尚女艺人奖 （获奖）
2008 “城市之心·2008年度人物颁奖典礼”年度“琥珀之心”奖 （获奖）
2008 上海国际电影节十大环保明星 （获奖）
2008 《ELLE》20周年风尚大典“风尚舞台明星” （获奖）
2006 影响2006·时尚盛典影响2006明星人物 （获奖）
2005 TOM网络娱乐英雄会北京娱乐信报影响2006的10大明星人物 （获奖）
2005 亚洲女性论坛新人奖 （获奖）
2005 共青团中央“五个一工程奖”优秀文化新人奖 （获奖）
2004 文化部“文化志愿者活动先进个人”、“优秀团员”、“杰出青年” （获奖）
2010 音乐风云榜十年盛典十年内地十大金曲 孤独的花朵 （获奖）
2009 第9届音乐风云榜年度盛典最佳EP专辑奖 （获奖）
2009 北京流行音乐典礼年度金曲 木槿花 （获奖）
2008 第8届华语音乐传媒大奖最佳国语女新人 （获奖）
2008 第8届音乐风云榜年度最佳新人 （获奖）
2008 腾讯网星光大典内地年度最佳女歌手 （获奖）
2007 新浪网络盛典音乐类年度内地女歌手 （获奖）
2007 第13届全球华语榜中榜内地音乐录影带奖 （获奖）
2007 BQ2007年度红人榜颁奖礼年度最受欢迎女歌手 （获奖）
2007 第14届东方风云榜颁奖礼最佳音乐录影带奖 （获奖）
2007 MTV超级盛典最具风格舞台表演奖 （获奖）
2007 大学生音乐节最受大学生喜爱内地女歌手奖 （获奖）
2007 北京流行音乐典礼年度金曲 孤独的花朵 （获奖）
袁泉是个很用心的演员，不管是否有她的戏份，只要有排练，她准会到场。没有她戏的时候，她会在剧场边的椅子上蜷着看别人演（孟京辉评）。
她是一个很纯粹的演员，一直不断地在戏剧舞台上创作好的作品；她真心的热爱舞台艺术也因此推掉了许多影视剧（黄渤评）。
袁泉在事业上是一位成功的演员，在生活中她是一位充满爱心的女性，成功与爱心并重使她气质独特（新浪网评）。
袁泉的性格并不像是一个人们传统概念中的演员。她羞涩安静，与生人相处时可能会一天不说话，就像是人们常说的那种邻家女孩。在星光灿烂的领奖台上，她干净清爽，反而与众不同（中国新闻网评）。
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