湖北荆州市沙市区女孩袁泉11岁时便已离开亲人独自远涉千里学习进修，在学校的时候，性格内向的袁泉同样出类拔萃，从中国戏曲学院附中毕业后，1996年袁泉考入了中央戏剧学院。还在上中戏时，袁泉就与第五、六代导演滕文骥、霍建起等合作了《春天狂想曲》、《蓝色爱情》、《上海纪事》等影片，其中《春天狂想曲》获得了当年金鸡奖的最佳女配角奖，《上海纪事》获当年金鸡奖的最佳女主角提名，《蓝色爱情》获北京大学生电影节最佳女演员奖，同时获得当年金鸡奖的最佳女演员提名。
2002年，电影《美丽的大脚》让这位只有25岁的女孩再次夺走了“金鸡奖最佳女配角”的桂冠。秀丽中带有些许欧化的外表与清纯中不失要强的气质，具备偶像派资本的袁泉踏踏实实地走在演技派的路上。此外，出道以来，还出演了多部电视剧，如《生命因你而美丽》（2000年）、《青春不解风情》、《爱情的滋味》（2001年）、《吕布与貂蝉》、《完美夏天》、《有情鸳鸯无情剑》（2002年）、《完美》（2003年）、《小鱼儿与花无缺》、《爱在边缘》（2004年）、《白屋之恋》（2005年）、《花之恋》（2006年） 以及2008年由鄢颇导演的《阴丹士林》 等多部剧集。
2005年接演音乐剧《电影之歌》和话剧《琥珀》，饰演女主角，好评如潮。2006年又主演话剧《暗恋桃花源》，赢得一片叫好。2008年参演罗卓瑶导演的电影《如梦》。
2009年8月30日，夏雨和袁泉委托经纪公司发布结婚声明。这对演艺圈的金童玉女，在经历了10年的爱情长跑之后，终于修成正果。同年，主演了话剧作品《简·爱》。
2010年获得第7届中国话剧金狮奖表演奖。 2012年在电影《大上海》中饰演叶知秋一角。 2013年凭借话剧《简爱》获得梅花奖 。2013年参演电影《扫毒》。 2014年出演电影《后会无期》 。
2016年，参演赵薇导演作品《没有别的爱》 和动作电影《危城》 。2017年，凭借出演都市情感剧《我的前半生》中唐晶一角获得关注，并凭借该角色获得2018电视剧品质盛典“年度表演剧星”。
2019年5月17日，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。
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。
