2001與俞飛鴻、何中華合演古裝武俠劇《三少爺的劍》，飾演紀綱的妹妹慶忌；同年，他與張鐵林、王剛、張國立合作了古裝喜劇《鐵牙銅牙紀曉嵐》。
2002年，他與劉小鋒、阿波羅、唐國強聯袂主演了民國浪漫劇《女人湯》，在其中飾演愛恨交加的高姿，這也是霍思燕首次出演反派角色。
2003年，霍思燕首次出演女主角，與鄧超、潘虹、郝蕾合演古裝情感劇《天子》，飾演忍辱負重、才華橫溢的吳蘊珠。2005年，她與蔣欣、雷尼和六小齡童聯袂出演古裝神話情感劇《歡樂七仙女》，在劇中飾演女主角七仙女齊兒。
2006年與林誌穎、楊冪合演話劇《聊齋誌異》，飾演女鬼秋蓉；5月，霍思燕首次坐上女壹號的位置，主演都市偶像劇《如風而去》，飾演經常被繼母虐待的喬可欣。後與邱心誌、戴春榮合演古裝懸疑劇《楊乃武與大白菜》，飾演性格剛柔並濟，不肯向命運低頭的大白菜；7月，在古裝情感劇《清宮明珠》中飾演戲班老板的女兒沈銀秋。
2007年憑借青春喜劇《我要出名》獲得第26屆中國香港金像獎最佳新人獎提名，中國香港電影金紫荊獎最佳新人獎提名，中國電影導演協會最佳新人銀獎提名。同年，她在戰爭劇《Xi事變》中扮演張學良的第二任妻子趙壹荻。
2008年，她在抗戰劇《江湖往事》中飾演性格活潑的魔法少女趙曉玲，而這也是霍思燕第壹次出演打女人的角色；2月，與陳鍵鋒、嚴凱文主演民國情感劇《最後的格格》，飾演對感情十分執著的雲香格格。
2009年與鐘漢良、麥可、孫菲菲合演民國浪漫劇《玫瑰江湖》，飾演積石山莊大小姐君羅綺；同年，馮紹峰合作出演家庭倫理劇《壹夫壹妻》，飾演在京留學後回鄉任教的寧小燕。
2010，都市情感劇《註定的愛情》中，飾演始終保持積極人生態度的王海玲；8月，在古裝劇《石天鐘馗》中，她飾演壹個聰明善良的普通女子，其實是蘇大轉世的蘇媚娘；同年在都市愛情劇《愛只有和妳在壹起才完美》中飾演敢愛敢恨敢演的徐夢菲。
2011憑借懸疑驚悚片《夢遊3D》獲得東京國際電影節最佳女主角提名。4月，與王特裏、肖恩合演勵誌短片《贏家》，飾演之妻霍燕燕；同年，她在家庭情感劇《風車》中飾演舒怡海的女兒舒。
2012年，範冰冰、馮紹峰主演的話劇《二次曝光》上映，飾演宋琦的閨蜜小溪，這也是霍思燕首部票房過億的電影；同年，在美食電影《飲食男女2012》中，飾演經營高級會所的娃兒。
2013年，由張小龍、艾米莉聯合主演的都市情感勵誌輕喜劇《愛之前誰怕誰》在浙江衛視播出，飾演耿直、率真、大大咧咧的俞小雨。該劇播出後黃金時段收視排名第壹，在整個播出期間保持黃金時段收視前兩名。2014年4月，搭檔雷佳音出演都市愛情劇《我媳婦是女王》，飾演開朗積極的李開新；11年6月，她與丈夫杜江合作主演了青春愛情劇《再見，我的妻子》。
2065 438+2005年2月12日，與李晨、杜江合作主演當代勵誌劇《草帽警察》，在其中飾演炙手可熱的村花趙曉靜，獲得第二屆中美國際電視節最佳女演員獎，這也是霍思燕首次出演村姑壹角。4月，客串葛優、章子怡主演的懸疑諜戰片《浪漫死亡史》；8月，主演都市時尚輕喜劇《追婚》，在其中飾演壹位獨立勇敢、幹練利落的女子，名叫芍藥。
2016主演由薛同名小說改編的愛情劇《北京遇上西雅圖》，在劇中擔任女壹號朱；同年，他客串了杜江的青春愛情片《高跟鞋先生》。2065438年8月31日，由微博時尚與OnlyLady聯合主辦的2017首屆“微博時尚盛典”在京舉行，杜江霍思燕榮獲“年度最具時尚影響力CP”。5438年6月+10月，參演電影《英語》。
2018年3月2日參加2018央視元宵晚會，與常遠、天使、李東表演《賣湯圓》。9月受邀參加中央廣播電視總臺2018中秋晚會。65438+2月29日，由他主演的浪漫喜劇《電話鈴響了》上映，飾演全職太太李楠；在電影《紅海行動》中。
2019，11，霍思燕參加芒果TV自制夫妻觀察治愈節目《妻子的浪漫旅行第三季》錄制。20438年6月至2020年10月擔任華鼎獎第27屆專家評委會評委。
2022年6月3日晚八點，參加CCTV-1大型文化系列節目《老韻新聲》端午節目，演唱歌曲《蘭奕曹》。