1999年，參演首部電影《春天的狂想》，憑借飾演的周小玫一 角獲得第19屆中國電影金雞獎最佳女配角獎；同年，出演首部話劇《梁祝》。
2000年，參演霍建起導演的電影《藍色愛情》，憑借飾演的劉云一角獲得第8屆北京大學生電影節最佳女演員獎以及第21屆中國電影金雞獎最佳女主角提名。
2002年，參演電視劇《有情鴛鴦無情劍》、《旋渦》；同年，憑借電影《美麗的大腳》獲得第22屆中國電影金雞獎最佳女配角獎。
2003年，與夏雨、梁靜合作出演電影《警察有約》。
2004年，出演王晶導演的電視劇《小魚兒與花無缺》，飾演蘇櫻一角。
2005年，出演大型多媒體音樂話劇《琥珀》，該劇演出門票在香港三天內預售達到3000張，創下香港話劇的銷售紀錄；同年，參演電影《上海倫巴》。
2006年，6月，主演的話劇《電影之歌》舉行全國巡演；10月，赴北京參與話劇《暗戀桃花源》的彩排；11月，在話劇《暗戀桃花源》中飾演溫柔婉約的云之凡，并演唱主題曲《暗戀》。
2006年，參演電視劇《花之戀》。
2007年，3月，憑借專輯《孤獨的花朵》獲得第十四屆東方風云榜頒獎 禮“最佳音樂錄影帶獎”；4月，在北京王府井舉辦《孤獨的花朵》音樂作品集簽售會；5月，入選“中國話劇百年名人堂”；11月，獲得2007大學生音樂節頒獎典禮年度最受歡迎女歌手獎。
2008年，1月，獲得新浪網絡盛典年度內地女歌手獎；7月，發行EP《臺北》。
2009年，1月，發行EP《ShortStay北京》；4月，憑借專輯《ShortStay臺北/沖繩》獲得第九屆音樂風云榜年度盛典最佳EP專輯獎10月，憑借電影《如夢》獲得第46屆臺灣電影金馬獎最佳女主角提名。
2010年，在《新京報》舉辦的“中國最美50人”評選中排名第29位。
2012年，出演電影《大上海》，在片中飾演一代京劇名伶葉知秋。
2013年，參演電影《掃毒》，在劇中飾演阿秋的妻子；同年，參演電影《澳門風云2》，飾演小馬妻。
2014年，參演電影《心花路放》同年，參演電影《黃金時代》。
2016年，參演趙薇導演作品《沒有別的愛》；8月18日，參演的動作電影《危城》上映；12月16日，參演的電影《羅曼蒂克消亡史》上映。
2017年7月4日，主演的都市情感劇《我的前半生》首播，該劇由沈嚴執導，袁泉在劇中飾演了職場女強人唐晶一角。
2018年3月15日，袁泉憑借電視劇《我的前半生》中唐晶一角獲得2018電視劇品質盛典“年度表演劇星”；同年4月，與陸毅合作出演了現實主義題材劇《風再起時》，劇中飾演女主角何曉鶯。主演電影《中國機長》，取材川航備降事件。
2020年，主演徐崢執導電影《囧媽》。
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