2005년부터 아역배우로서 활동을 시작했으며, 이듬해(2006) 이준기 주연의 영화 '플라이 대디'를 통해 극중 성폭행을 당해 실의에 빠진 딸 역을 맡으면서 대중의 주목을 받고, 영화와 드라마를 넘나들며 연기 내공을 쌓다가 2008년 중앙대학교 연극학과에 입학한 후 2009년 일본 드라마 꽃보다 남자를 리메이크한 KBS 2TV 드라마 '꽃보다 남자'에 추가을 역으로 출연하면서 극중 소이정(김범 분)과 연인모습을 연기해 단숨에 인지도를 높혀간다. 또 같은 해 문제가 많았던 KBS 천추태후에 주인공 천추태후의 아역을 맡았는데, 드라마 자체는 막장이었지만 정작 김소은을 비롯한 아역들이 등장하던 시절에는 캐릭터들이 제대로 살아 있어서 그런지 시청률이 굉장히 좋았고, 김소은도 한참 나이가 많은 경종 역의 최철호와도 호흡을 잘 맞추며 연기력과 흥행을 모두 거머쥐었다.

2012년 10월 MBC 드라마 '마의'의 숙휘공주 역을 맡아 미모와 연기 모두 포텐을 터트리며 극중 상큼하고 발랄한 모습을 보여주며 큰 인기와 함께 남자 시청자들의 마음을 빼앗았다.

마의 종료 후 KBS W채널에서 열심히 일하고 공부한 20대 여성들에게 트렌디한 라이프스타일 팁(Tip)을 제공하는 프로그램이라는 주제로 f(x) 빅토리아와 함께 '글리터'라는 프로를 진행하였다.

2014년 7월 2일 강하늘과 함께 스크린 주연을 맡은 '소녀괴담'이 개봉되었다. 영화는 개봉한지 20여일만에 48만명의 관객을 기록했다. 9억이라는 비교적 적은 제작비로 촬영한 덕에 손익분기점 45만명을 돌파하며 흥행에 성공을 했다.

같은 해 10월 20일부터 방영한 일본 동명의 만화를 원작으로 둔 tvN 드라마 '라이어 게임'에 출연해 원작과는 다른 느낌으로 배역을 잘 소화해냈다.

같은 해 11월에 송일국, 김영애와 함께 한 이돈구 감독의 아트하우스 스타일의 영화 ‘현기증’이 개봉되었다.