1992년 MBC 공채 탤런트. 아시아나항공의 스튜어디스 모델로 스타덤에 오르기 시작했다. 자타공인 입간판 모델 인기의 원조, 최강의 동안 미녀로 유명한 배우다.

1994년에는 서울예술대학 방송연예과에 입학하게 되며 이후 MBC '오늘은 좋은 날'의 코너 소나기에 강호동의 여자친구로 출연하면서 대중들에게 얼굴을 알린다.

1999년 MBC 허준에 공빈 김씨 역으로 인기를 얻었다. 2001년 SBS 드라마 '여인천하' 출연 후 결혼하면서 연예계를 잠정 은퇴한다. 이후 육아와 가정에 전념하면서 2002년에는 성균관대학교 영상학과에 입학하기도 한다.

2010년 영화 파괴된 사나이로 복귀하였다.

2012년 KBS 대하드라마 '대왕의 꿈'의 선덕여왕 역으로 캐스팅 됐다. 하지만 촬영 장소로 이동하는 과정에서 덤프트럭과의 접촉사고로 부상을 입게 된다. 이후 다행스럽게 회복은 되었지만 결국 대왕의 꿈에서 하차하게 되면서 그녀의 대타로 홍은희가 투입된다.

한동안 드라마 출연이 없다가 2016년 MBC 드라마 '옥중화'로 오랜만에 배우로서의 활동을 했는데 연기에 대한 비판이 있다. 특히 정난정 역은 여인천하에서 강수연이 맡았는데 강수연과 비교되면서 혹평의 대상이 된 것이다. 다만 배우의 연기력이나 연기 자체에는 문제가 없다. 사실 박주미의 그간 연기 커리어를 보면 선한 인상과 목소리에 걸맞은 캐릭터가 많고 또 배우의 연기 스타일도 절제되고 안정적인 면이 강하다. 하지만 옥중화의 정난정 캐릭터를 위해 박주미는 눈빛부터 시작해서 입술의 작은 움직임까지 미묘하지만 빠른 페이스의 적절한 표정 연기를 보여주고 있다. 실제로 타 작품에서의 박주미의 캐릭터와 옥중화의 정난정 캐릭터를 비교해보면 이질감이 크다. 따라서 배우 스스로의 선한 인상을 완전히 걷어내고 악역의 탈을 큰 무리 없이 소화하고 있다는 것은 오히려 고무적인 일이다.

그럼에도 불구하고 그 '결과물'에 대한 비판이 생기는 이유는 기본적으로 배우의 인상(외모와 목소리 등) 자체가 정난정 캐릭터나 각본에 잘 맞지 않기 때문에 미스캐스팅이라는 소리가 나오고 있다. 대왕의 꿈에서 맡았던 선덕여왕이나 정난정과 비슷한 시기에 캐스팅됐던 영화 덕혜옹주의 귀인 양씨 역은 이런 논란이 없었는데, 이는 두 캐릭터 자체가 박주미의 인상에 최적화된 캐릭터라고 할 수 있기 때문이다. 게다가 연기의 결과물은 다른 동료 배우들과의 조합도 중요한데, 정난정과 윤원형 캐릭터가 따로 놀고 또 정준호의 연기 스타일과도 잘 어우러지지 않았다.

이후 2021년 임성한 작가의 작품인 TV조선 드라마 '결혼작사 이혼작곡'을 통해 그간의 연기력 논란을 불식시키며 호평을 받았다. 그야말로 인생 캐릭터를 만났다는 반응이었다. 사실 시즌 1에서는 다소 불안한 연기를 보인다는 의견이 많았으나, 시즌 2로 접어들면서 그동안의 전개가 폭발하면서 동시에 연기력도 차츰 나아졌다는 모습을 보인다는 평이 많다.