2000年2月14日霍思燕参演的电视剧《贫嘴张大民的幸福生活》正式播出，这是霍思燕的第一部正式电视剧，在剧中饰演张大雪。2001年，霍思燕与俞飞鸿、何中华等主演的的电视剧《
三少爷的剑》以及和张铁林、王刚、张国立等主演的《铁齿铜牙纪晓岚》先后播出，霍思燕分别饰演纪情、香草。2002年，霍思燕与刘小峰、于波、唐国强等主演的民国电视剧《女人汤》，霍思燕首次饰演反派人物高子。2003年，霍思燕首次担任女主角，与邓超、潘虹、郝蕾等主演的历史剧《
少年天子》，霍思燕饰演的是一个忍辱负重、才貌双全的“完美女人乌云珠。
2005年霍思燕和潘虹再度合作，联合蒋欣、杨蕊、六小龄童、郑国霖等主演的古装神话情感剧《欢天喜地七仙女》于7月21日正式首播，霍思燕在该剧中饰演女主角七仙女紫儿。
2006年霍思燕在与林志颖、唐宁、杨幂等主演的古装神话悲剧《新聊斋志异》中首度饰演女鬼秋荣并与聂远主演的悲情剧《像风一样离去》中首次饰演女一号乔可欣；同年在与邱心志、戴春荣主演的古装清装悲剧《
杨乃武与小白菜》中饰演女一号小白菜并在古装宫廷剧《大清后宫之还君明珠》中客串沈吟秋一角。此外，霍思燕首次主演的电影《
我要成名》于9月1日上映，该片由香港导演刘国昌执导，汇聚了尔东升、陈果、梁家辉、刘青云等演员，霍思燕饰演女一号吴晓菲，霍思燕凭借该片入围第二十六届中国香港金像奖最佳新人奖和中国香港电影金紫荆奖最佳新人奖，并获得中国电影导演协会最佳新人银奖。
2007年霍思燕首次参演的战争剧《
西安事变》在中央电视台播出，霍思燕在该剧中饰演四小姐赵一荻。
2008年霍思燕与吴樾、黄维德主演的《江湖往事》于2月20日播出，霍思燕饰演女主角赵小灵，这是霍思燕首次出演打女；2月22日，霍思燕与陈键锋、严宽主演的民国情感剧《最后的格格》在多地播出，霍思燕饰演女一号云香格格。
2009年霍思燕与钟汉良、何晟铭、孙菲菲、邓萃雯主演的民国武侠情感剧《玫瑰江湖》于春节期间在广州电视台播出，霍思燕饰演女一号君绮罗，这是霍思燕首次担纲出演了一个“大女人”类型的角色；同年继《贫民张大嘴的幸福生活》之后，霍思燕再次出演百姓题材，与冯绍峰主演的现代电视剧《夫妻一场》播出，霍思燕饰演女主角宁小燕，这也是霍思燕首次饰演妈妈。
2010年霍思燕、李晨主演的都市情感剧《孽缘》播出，收视超过《三国》、《杨贵妃秘史》等，以2.64的收视率和5.31的市场份额成为2010年上半年全国收视冠军，霍思燕饰演的女主角汪海灵在遭遇性侵犯和友人背叛、父母辞世等一系列打击后，在生活中重拾勇气，获取新生，因而霍思燕被称为“坚强女性代言人”；此外，霍思燕与欧阳震华等主演的神话剧《
天师钟馗》以及与朱雨辰主演的都市爱情剧《爱要有你才完美》先后播出并获得同时段收视冠军。
2011年霍思燕再度与李晨主演的电视剧《风车》在北京卫视播出，霍思燕饰演女一号北兆。电影方面，霍思燕参演筷子兄弟的电影《父亲》和短片《
赢家》，饰演霍燕燕；霍思燕与李宗翰、李心洁主演的推理奇情片《梦游3D》上映，霍思燕凭借该片入围东京国际电影节影后。
2012年霍思燕与范冰冰、冯绍峰主演的电影《
二次曝光》上映，票房过亿，这是霍思燕首部过亿票房；与归亚蕾、杨洋、蓝正龙、张孝全等主演的经典翻拍电影《饮食男女2012》9月23日，北京首映，霍思燕饰演女一号瓦儿。
2013年霍思燕与张晓龙、陈紫函主演，任泉工作室、上海剧帝影视传媒有限公司、万达影视联合出品的都市情感励志轻喜剧《爱情面前谁怕谁》于9月28日在浙江卫视黄金档，中央电视台一套十一档同步播出，霍思燕转型首次挑战“女汉子”于小渔，该剧播出后便排名黄金档收视第一名，整个播出期稳定在黄金档收视前二名。
2014年4月霍思燕与雷佳音等联合主演电视剧《我的媳妇是女王》，饰演女一号开心；11月与丈夫杜江合作出演现代剧《再见，老婆大人》，该剧将于2016年播出。
2015年2月12日霍思燕与李晨、杜江等主演的电视剧《草帽警察》在中央电视台电视剧频道首播，霍思燕在剧中饰演女主角，一名热辣的村花赵小静，该剧也是其首次出演村姑的角色；4月21日出演电影《
罗曼蒂克消亡史》；5月9凭借《草帽警察》获得第二届中美国际电视节最佳女主角奖。8月，都市时尚轻喜剧《待嫁三千金》在北京开机，霍思燕、王阳明、陶慧、周楚楚、曹璐倾情主演。
