1998년, 영화 <바이 준>으로 당시 모델이었던 유지태와 함께 영화계로 데뷔하였다. 영화는 흥행에 실패했지만 김하늘만은 차세대 은막의 스타로 불리며 주목받았다.

일찍부터 충무로 관계자들과 PD들로부터 '티 없이 맑아 보이면서도 깊은 절망이 묻어나는 이중적인 이미지를 가진 여배우'로 각광받은 덕택에 곧바로 <해피 투게더>, <햇빛속으로> 등의 드라마의 주연으로 바로 발탁되어 인지도를 높여가며 활동하다가 영화 데뷔를 함께했던 유지태와 다시 한번 공연한 <동감>의 흥행과 더불어서 김하늘의 현재까지 이어져 오고 있는 청순하고 맑은 본인의 이미지를 구축한다.

이듬해 드라마 <피아노>의 비련의 사랑에 빠진 여주인공을 맡으며 연기력을 인정받았고, 2002년에 학생과 선생님의 사랑이라는 파격적인 주제를 다루어 주목을 받았던 드라마 <로망스>에 김재원과 함께 출연하며 스타의 반열에 올라서기 시작한다. 김하늘을 대표하는 불후의 명대사인 난 선생이고 넌 학생이야도 이때 나왔다. 그리고... 2003년에 개봉된 영화 <동갑내기 과외하기>로 대박을 쳤다.

이후, 2004년 한 해에만 드라마 1편, 영화가 3편이나 개봉할 정도로 전성기였으나 <동갑내기 과외하기>만큼의 흥행 신드롬이나 인기는 보여주지는 못했다. 한층 물오른 코미디 연기를 선보여 영화를 호평으로 이끈 <그녀를 믿지 마세요>나 동갑내기 과외하기 커플의 재결합으로 후광을 받아 흥행한 영화 <청춘만화>, 30대의 성숙한 로맨스 영화 <6년째 연애중>등에서 안정된 연기와 흥행력을 선보인 작품도 있고 활동도 꾸준하였으나 대박 작품이 없었다. 또한 드라마 <90일, 사랑할 시간>은 비록 웰메이드 드라마로 마니아층의 단단한 지지를 받은 드라마지만 한자리의 처참한 시청률을 받아 상대적으로 정체기가 찾아왔다.

그러다 2008년 3월에 방영된 드라마 <온에어>에서 거만한 톱스타인 '오승아' 역으로 출연하여 '싸가지 없는 여배우'를 완벽하게 연기해 내며 드라마의 흥행을 이끌어 그간의 부진을 씻어내고 다시 한번 전성기를 맞는다. 이 드라마전까지 한동안은 히트작에서도 본인보다 작품이나 상대역의 남자배우들에 비해 스포트라이트를 상대적으로 덜 받았다고 한다면[6], <온에어>는 김하늘이 맡은 캐릭터에 일거수일투족에 집중되며 온전히 스타성을 회복하고 충전한 시기라고 할 수 있다. 연달아 2009년 영화 <7급 공무원>이 흥행에 성공하면서, 드라마와 영화 모두에 먹히는 배우임을 다시 한번 증명해 냄과 동시에 그간의 작품들이 다시 재조명 받으면서 로맨틱 코미디의 여왕이라는 타이틀도 거머쥐게 됐다.