2003年，4岁的金裕贞陪着姐姐参加比赛却意外获得最受欢迎奖，通过拍摄广告正式出道   。

2004年，参演电影《非武装地带DMZ》。2005年7月，出演由朴赞郁执导的悬疑电影《亲切的金子》   ；10月，出演情感电影《我一生最美丽的一周》，饰演身患绝症的女孩真雅，凭借该片入围第43届韩国电影大钟奖最佳新人女演员奖   。

2006年，参演电影《方糖》，饰演女主角林秀晶的童年时代   ；同年，参演情感电影《突然有一天之第四层》，饰演与母亲相依为命的女孩汝珠熙   。2008年5月，参演古装剧《一枝梅》，饰演女主角韩孝周的童年时代；9月，参演《风之画员》，饰演女主角文瑾莹的童年时代。

2009年，出演灾难电影《海云台》，饰演小小年纪就亲历了海啸灾难的女孩智敏，该片票房达1145万3338观影人次   。2010年3月，参演古装历史剧《同伊》，饰演女主角韩孝周的童年时代；7月，主演古装奇幻剧《九尾狐之狐狸姐姐传》，饰演非常依恋母亲的女孩妍伊；10月，在家庭剧《欲望的火花》中一人分饰两角，凭借该剧获得MBC演技大赏青少年演技奖。

2012年2月，主演古装剧《拥抱太阳的月亮》，饰演女人公许烟雨的少女时代，凭借少女许烟雨一角获得MBC演技大赏最佳童星奖，并入围第48届百想艺术大赏电视部门最佳新人女演员奖   。2013年6月，金裕贞作为国民代表参加显忠日缅怀会，获得由韩国总统朴槿惠亲自颁发的爱国大树徽章   ；11月，主演动作电影《同窗生》   。

2014年3月，主演电影《优雅的谎言》，饰演表面开朗善良暗地却孤立朋友的花妍，凭借该片入围第35届韩国青龙电影奖最佳新人女演员奖   ；9月，与李帝勋、韩石奎合作主演古装剧《秘密之门》，饰演骨子里非常自由的女孩徐池谈   ；11月，担任SBS音乐节目《人气歌谣》固定主持人   。

2015年3月，主演MBC水木剧《愤怒的妈妈》，饰演很有正义感的女高中生吴雅兰，凭借该剧获得MBC演技大赏十大明星奖   ；7月，与车太贤搭档主演电影《因为爱》   ；10月，与成东镒合作主演悬疑电影《秘密》，饰演李静贤   。

2016年，主演KBS月火剧《云画的月光》，饰演女扮男装、以内侍身份入宫的恋爱咨询专家洪乐瑥   。该剧播出第四周平均收视率突破20%，位居同时段收视冠军   ，金裕贞获得韩国盖洛普2016年最闪耀的电视剧演员第四，成为首位进入民调排行榜的10代演员   ，并凭借该剧获得KBS演技大赏中篇电视剧部门优秀演技奖   。

2018年，主演JTBC爱情喜剧《先热情地清扫吧》，不拘小节、明亮可爱的少女吉五雪   。2020年，主演SBS浪漫爱情喜剧《便利店新星》，饰演便利店打工生丁新星，是一个维护社会正义的四次元纯情恶女。