2004년 김종관 감독의 단편작 《폴라로이드 작동법》으로 데뷔했다. 극중 짝사랑하는 선배에게 폴라로이드 카메라 작동법을 물어보는 소녀의 떨리는 감정을 섬세하게 그려내면서 독립영화 팬들과 평단의 호응을 이끌며 영화계 인사들의 주목을 받았다. 더불어 당시 정유미의 풋풋한 외모와 세밀한 감정표현이 무척 인상깊은 작품이다.보러가기

2005년 정지우 감독의 영화 《사랑니》에서 17세 조인영 역으로 출연해 평단의 주목을 받았고 백상예술대상, 한국영화평론가협회상에서 신인상을 수상했다. 본인 스스로도 이 영화를 직업 배우로서 데뷔작으로 생각하며 자신에게 매우 의미있는 영화임을 밝히기도 했다.

2006년 김태용 감독의 영화 《가족의 탄생》에서 도움이 필요한 이들을 외면하지 못해 남자친구인 봉태규의 속을 뒤집어 놓는 아주 착한 여자친구 채현 역을 맡아 본격적인 각광을 받기 시작했다. 영화는 흥행에 실패했지만, 배우들의 좋은 연기와 더불어 2006년 개봉한 한국 영화중 평단으로 부터 가장 좋은 평가를 받은 작품으로 국내는 물론이며 해외 유수의 영화제에 초청되어 상을 받았다. 정유미는 2006년 제27회 청룡영화상 여우조연상을 수상하는 쾌거를 이룬다. 본인의 수상을 전혀 예상하지 못했는지 시상대에 올라와서 얼굴이 붉어져서 어버버하며 수줍게 수상 소감을 말하는 모습을 보여주기도 했다.

2007년 첫 지상파 드라마 데뷔작인 《케세라세라》에서 사랑스럽고 당찬 여주인공 한은수 역을 맡아 자신만의 매력을 한껏 드러냈다. 당시 유행한 전형적인 신파형 연애물이 아닌 인물들의 심리를 섬세하게 묘사한 현실적이면서도 순박한 드라마라는 평가를 받았고 상대 배우 에릭과의 좋은 호흡으로 시청자들에게 눈도장을 찍었다. 첫 드라마 도전을 하며 행복하고 소중한 시간이었다고 DC 드라마 갤러리에 감사 인증글을 남기기도 했었다. 연말에는 국가인권위원회에서 제작한 청소년 인권 옴니버스 영화 《시선 1318》 중 이현승 감독이 연출하는 <릴레이>편에 참여하였다. 정유미는 고등학교의 양호 선생님 역을 맡았는데, 노게런티로 출연하였다. 이 영화는 2008년 제9회 전주국제영화제 폐막작으로 선정되었으며 2009년에 정식으로 개봉하였다. 또 같은 해 2006년에 촬영했던 정윤철 감독의 영화 《좋지 아니한가》가 개봉하기도 했다.

2008년 신인 영화인들을 발굴, 육성하기 위해 영화진흥위원회와 CJ엔터테인먼트가 공동 투자하고 한국영화아카데미가 주최하는 ‘장편영화 제작연구과정’의 장편 영화 3편 중 하나인 《그녀들의 방》에 학습지 방문 교사 구언주 역을 맡아 출연했다.관련기사 당시 노개런티로 출연하여 주목을 받았다.'그녀들의 방', 진정한 삶의 의미는 무엇인가 영화는 다음 해인 2009년에 개봉하였다.