2001年，出演姜峰執導的警匪劇《煙海沉浮》，這也是她的首部影視劇作品。2003年，出演劇情片《電影往事》，在劇中飾演天真無邪，熱愛電影的童年江玲玲；11月，與郭曉冬、李佳合作出演鄉村愛情文藝片《暖》，在劇中飾演暖的女兒丫；同年，出演王珈執導的劇情片《驚心動魄》。
2005年，出演陳凱歌執導的奇幻動作片《無極》，在片中飾演小時候的傾城；同年，出演家庭倫理劇《回家》。2006年，出演張延斌執導的數字電影《惟有承諾留我心》，飾演小時候的韓雪婷；同年，與董潔、潘粵明合作出演年代情感劇《紅衣坊》，飾演富家小姐趙雪茗。
2007年，在張琦執導的懸疑驚悚片《救我》，飾演善良可愛的小雪；4月，搭檔張嘉譯出演家庭倫理劇《溫暖》；5月，與張嘉譯、李小冉合作出演《為愛結婚》，飾演學生陸蓓蓓；6月，與邱心志、田海蓉合作出演年代情感劇《旗袍》；隨后，與李冰冰、黃海冰共同出演古裝青春勵志劇《再生緣》，飾演童年孟麗君；同年，搭檔姚芊羽出演悲情勵志劇《笑著活下去》。
2008年，出演劉苗苗執導的劇情片《小田進城》，在劇中飾演農民工吳國慶的女兒小田；2月，與陳小藝、黃曼合作出演都市情感劇《突然心動》，飾演聰明伶俐的小學六年級學生肖婭；6月，與梅婷、王志文、佟大為合作出演年代愛情劇《幸福還有多遠》飾演吳天亮收養的小女兒大丫；11月，與午馬、鄭佩佩合作出演情景喜劇《家有兒女新傳》，飾演漂亮可愛，學習好的唐娜。
2009年，與周杰倫、林志玲合作出演尋寶探險片《刺陵》，飾演小時候的藍婷；2月，與林心如、劉濤共同出演古裝愛情劇《大理公主》飾演貧苦寡婦楊玉姣的女兒楊阿細；同年，出演韓三平執導的紀錄片《春蕾綻放》，飾演春蕾班的少數民族學生農小梅；11月，與劉佳、李幼斌合作出演諜戰劇《密戰》 ，飾演武梅的女兒；同年，還參演了董志強執導的家庭倫理劇《故夢》。
2010年1月，在都市情感劇《突然心動》中，飾演肖關鵬的女兒肖婭；12月，客串馮小剛執導的喜劇愛情片《非誠勿擾2》 。
2011年，參演安建執導的年代商戰劇《向東是大海》；11月，與陳思斯、巫剛共同出演《戈壁母親》，飾演小時候的鐘柳；同年，與毛俊杰、朱剛日堯共同出演古裝傳奇劇《孔子春秋》，飾演年少的小姜。
2012年，出演愛情神話片《畫皮2》，飾演少年靖公主；9月，出演吳永倫執導的校園清新偶像劇《101次告白》，飾演表面上有著富家千金的任性和傲慢，實則是率真善良的朱貝貝。
2013年，與劉德華、林志玲合作出演動作科幻片《天機·富春山居圖》；8月，與方力申、張馨予合作出演懸疑愛情片《致命閃玩》，在片中飾演初中女生。
2014年2月，與王志文、李小冉合作出演家庭情感喜劇《大丈夫》，在劇中飾演王志文的女兒歐陽淼淼；3月，與張嘉譯、閆妮合作出演都市時尚情感劇《一仆二主》，飾演楊樹的女兒楊樹苗。
2015年，在徐輔軍執導的家庭情感劇《妻子的謊言》中，飾演江一明的臺詞老師陳璞玉；3月，搭檔姜潮共同主演都市愛情片《向天真的女生投降》，關曉彤的父親作為該片制片人 ；4月，出演蘇有朋執導的青春愛情片《左耳》，在片中飾演張漾的女友蔣姣；5月，出演青春偶像劇《嬉戲魔法樂園》，在劇中飾演聰明可愛的安潔西公主 。9月，關曉彤發行個人首支單曲《安潔西公主》 ；10月，與景甜，張哲瀚合作出演古裝愛情喜劇《班淑傳奇》，飾演班淑的學生江繡；隨后，主演愛情喜劇片《浪漫天降》，在片中飾演俏麗空姐沙沙 ；11月，關曉彤發行暖心小情歌《關于你和我的故事》；12月1日，發行首張Mini專輯《十八Eighteen》；12月，出演都市情感劇《我的老婆大人是八零后》，在劇中飾演叛逆任性的visa 。
2016年5月31日，與孫紅雷、江疏影、張藝興合作主演都市愛情劇《好先生》首播，在劇中飾演冷漠叛逆、不愛說話的彭佳禾，并憑借該劇獲得第23屆上海電視節-白玉蘭獎最佳女配角獎；1月11日，在情感劇《搭錯車》中飾演心地善良、為人仗義的阿美；隨后，主演清新校園喜劇《老師晚上好》，飾演活力四射、敢愛敢恨的學生林夏；2月7日，首次參加央視春節聯歡晚會，與郭冬臨、馬天宇等人合作表演小品《是誰呢》；4月20日，主演年代情感勵志劇《我們的純真年代》播出，在劇中飾演尤玲之女苦瓜；7月20日，領銜主演的古裝劇《九州·天空城》播出，在劇中飾演天真無邪且神秘的星流花神易茯苓 。
2017年1月27日，與王嘉、馬天宇在央視春節聯歡晚會桂林分會場共同演唱歌曲《帶上月光上路》，這也是關曉彤第二次登上央視春晚舞臺；7月28日，其與眾多藝人共同出演的建軍九十周年獻禮片《建軍大業》在全國上映，她在片中則飾演革命先輩鄧穎超；8月8日，主演的古裝玄幻劇《軒轅劍之漢之云》播出，飾演陽光天真的夷洲土著少女耶亞希；11月27日，與馬可搭檔主演的青春校園勵志劇《極光之戀》播出，飾演在美國留學的歌舞劇演員韓星子；此外，她還與王一博共同演唱了電影《二次初戀》的同名主題曲。
2018年1月14日，與宋威龍搭檔主演的古裝愛情劇《鳳囚凰》首播，在劇中飾演劉楚玉。隨后，與盛一倫、張天愛合作主演現代勵志輕喜劇《如果可以，絕不愛你》；4月30日，關曉彤參加央視五四晚會錄制，并在晚會上獲得了“五月的鮮花”優秀青年演員稱號；6月8日，主演的青春愛情片《一紙婚約》上映，在片中飾演張輝的女兒王小相，她也憑借該片獲得第9屆澳門國際電影節最佳女配角獎提名；7月23日，與鹿晗搭檔主演的青春熱血格斗劇《甜蜜暴擊》在湖南衛視播出，她在劇中飾演性格堅強獨立，但外表冷漠的女子方宇；同年出演電影《圖蘭朵》，飾演圖蘭朵公主；9月30日，主演的由張藝謀執導的武俠動作片《影》全國上映，而她在片中飾演嬌蠻少女青萍；12月4日，主演的奇幻愛情喜劇開機《月半愛麗絲》開機，飾演愛麗絲。
2019年1月4日，關曉彤為中國電影頻道評選的演技派新生代四小花旦最終人選。2月1日，擔任浙江衛視《王牌對王牌第四季》固定王牌MC；2月4日，參加2019年央視春晚，關曉彤與韓雪、王嘉、魏大勛、臺風少年團演唱歌曲《青春暢想》；4月，關曉彤參加北京衛視明星跨界家裝改造真人秀節目《向往的星居》的錄制；9月14日，主演黎志執導的青春劇《二十不惑》，在劇中飾演傲嬌叛逆，愛打扮愛美妝梁爽；9月16日，為《我和我的祖國》-“音為有你”主題音樂活動，翻唱經典歌曲《聽媽媽講那過去的事情》；10月，入圍第六屆“中國電視好演員”綠組女演員候選名單。
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