高中毕业后，汤唯在杭州的影视训练班接受了一段时间的培训，之后开始考中戏表演系，而一直在中戏旁租房居住的汤唯偶尔拍点广告、打打零工 。
1998年，19岁的汤唯陪同学到文化经纪公司面试，结果汤唯却被录取 ；同年，汤唯参加中戏暑期表演培训班时，有位指导老师建议她去考导演系。之后汤唯在一位导演系朋友的帮助下开始学习导演系基础知识，以专业课第三的成绩拿到了准考证，但文化课没有通过。于是汤唯继续复读再参加高考，终于在2000年考入中央戏剧学院 。
在中戏上学期间，汤唯参加了学校的社团活动和公益活动。戏剧策划人袁鸿举办大学生戏剧节的时候，汤唯为了熟悉舞台就去报名做义工 。
2006年3月29日，汤唯主演的银幕处女作《警花燕子》上映，她在片中饰演正义的女交警田燕，凭借该片中的表现她获得了第6届电影频道数字电影百合奖“优秀女演员”奖 ；同年，汤唯在都市情感剧《女人不哭》中饰演爱慕虚荣的物质女孩尚丽 ；6月，李安导演公开为电影《色·戒》挑选女演员，汤唯被初步选中并到上海参加训练，每天学习上海话、穿旗袍高跟鞋等，历时一个多月，终于与李安签订了合同，成为该片的女主角 。
2007年11月1日，汤唯与梁朝伟合作主演的剧情片《色·戒》上映，她在片中饰演剧团台柱、女大学生王佳芝，并凭借该角色获得第44届台湾电影金马奖最佳新人奖 。2008年，汤唯通过香港特别行政区政府的“优秀人才入境计划”获得香港居民身份，令她在工作上的自由度扩大 。
2011年2月17日，汤唯与玄彬领衔主演的文艺片《晚秋》在韩国上映，她在片中饰演因表现良好而得到假释期的女犯人安娜，并凭该角色获得第47届韩国百想艺术大赏最佳女主角奖，成为韩国三大奖历史上首位获得最佳女主角的外国女演员 ，汤唯更凭此片在韩国影坛先后夺得了十项最佳女主角奖项 。此外，汤唯还为影片献唱了同名主题曲《晚秋》 。之后该片于2012年3月23日登陆中国大陆上映 。
2011年7月4日，与金城武、甄子丹合作出演由陈可辛执导的古装武侠片《武侠》上映，她在片中饰演貌美贤良、秀外慧中的村妇阿玉，并凭该角色提名第31届香港电影金像奖最佳女主角，该片还入围了戛纳国际电影节“午夜展映”单元首映 ；12月27日，汤唯在上映的动作片《极速天使》中饰演了驾车技术一流的洪小依 。2012年10月4日，汤唯与安圣基一同担任第17届釜山国际电影节开幕式主持人，这是韩国釜山电影节历史上首次由外国演员担任开幕式主持人 。
2014年9月，出席第71届威尼斯电影节红毯 ；10月1日，汤唯与冯绍峰合作主演的文艺爱情片《黄金时代》上映，该片由许鞍华执导，而汤唯则在片中饰演了民国传奇女作家萧红 ，并凭此片提名台湾金马奖、香港金像奖最佳女主角奖 。
2016年4月29日，与薛晓路导演二度合作的爱情片《北京遇上西雅图之不二情书》上映，该片取得了7.9亿元的票房成绩，刷新了华语爱情片票房纪录 。汤唯在片中饰演有草莽气，但不乏傲骨的赌场公关姣爷，并献声电影主题曲《我曾经也想过一了百了》 。
2020年3月，确定出演金泰勇执导的电影《仙境》 ；同年10月，确定出演朴赞郁导演的电影《分手的决心》，片中饰演女主角徐婡 。
家庭
感情
1995年，汤唯与朱雨辰在杭州参加中戏表演系的考场上相遇，之后朱雨辰主动追求汤唯，两人开始交往 。2004年，汤唯与男演员田雨因合作电视剧《警花燕子》而相识相恋 。
2010年，汤唯与韩国导演金泰勇因合作电影《晚秋》初识。2013年10月，在韩国拍广告期间的汤唯与金泰勇再次相逢，后发展成为恋人。2014年7月2日，汤唯与金泰勇订婚 ；8月19日，两人正式结为夫妻 。2016年8月25日，汤唯在香港产下一女，女儿小名为summer 。
汤唯的表演沉着内敛、收放自如，她有层次的表演把王佳芝演绎得令人信服，具备了优秀演员的潜力和素质，是一个出色的演员（新民晚报评） 。汤唯条件非常不错、气质出众，她给人的感觉清爽阳光、充满朝气，让人见了会眼前一亮。汤唯的性格大大咧咧的，有男孩子的个性，健康阳光（腾讯网评） 。
汤唯兼具人气与演技，是一位与众不同的女演员。她气质出众、具有独特的魅力，被韩国民众称赞为拥有天然五官的气质美人（新浪网评） 。汤唯是个特别有野性的演员，给人以神秘感，她的表演爆发力十足，赋予角色生命力（搜狐网评） 。汤唯有一种特别的专注力，可塑性非常大，有戏剧学院的底子，她的未来还有更多的可能（赖声川评） 。汤唯演技过硬，加之选片眼光精准，艺术深度和深入人心接地气的形象均不缺少（南海网评） 。
