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，出演KBS月火剧《云画的月光》女主角，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 。