1999年，裴斗娜在街上闲逛时被服装公司的制作人发掘，从平面模特儿到拍摄电视广告、演出戏剧及主持广播节目。早在裴斗娜出道初期，还是服装杂志的专属模特时，曾被导演王家卫看中并力邀她到香港演艺圈发展，但她以时机不成熟为由而婉拒了。
1999年，裴斗娜被KBS电视台选定出演首部电视剧《学校》，凭借该剧获得新秀奖。
2000年，裴斗娜主演奉俊昊执导的喜剧片《绑架门口狗》，凭借该片获得韩国青龙奖最佳新人女演员奖。
2001年，裴斗娜出演由郑在恩执导的青春片《猫咪少女》，饰演和周围人格格不入的可爱梦想家“太熙”一角，凭借该片获得韩国最佳女性电影人大奖最佳演技奖、第21届韩国影评人协会奖最佳女演员奖和第38届百想艺术大奖最佳女演员奖等；同年，与金来沅合作主演爱情伦理片《青春》，饰演单纯直率、敢爱敢恨的护士“珍妮”一角，并奉献了大尺度演出。
2002年，裴斗娜主演动作惊悚片《地铁危机》，饰演一个在地铁站以扒窃别人身上财物为生的小偷“仁静”一角，该片以汉城地下铁作故事背景；同年，出演由朴赞郁执导的犯罪片《我要复仇》，饰演一个迫于极端的困境而伤害自己恋人的女孩。
2003年，裴斗娜主演爱情喜剧片《恋恋春熊》，剧中裴斗娜穿上校服，与男主角展开一段纯纯的校园恋情。
2005年，裴斗娜参演由李大荣执导的《加油！金顺》，饰演一个独立坚强的家庭主妇，首次出演年轻妈咪的形象；同年，作为特邀演员，加盟日本影业公司投拍的山下敦弘执导的青春校园片《琳达琳达》，以27岁的年纪出演高中生，饰演高校乐队的主唱、来自韩国的留学生“宋”一角。
2006年，裴斗娜与宋康昊合作主演科幻片《汉江怪物》，扮演男主的妹妹射击运动员“南珠”一角，凭借该片获得韩国电影青龙奖的“最佳女配角”提名。为了更贴近该角色，裴斗娜花了三个月的时间练习射箭技术，所有射箭场面她都亲身上阵；同年，裴斗娜主演OCN爱情剧《有一天》，饰演在日本的侨胞女漫画家“山口花”一角。
2007年，裴斗娜主演SBS电视剧《遇见完美邻居的方法》，饰演过着平凡人生、但为人亲切热心的J建设公司秘书郑允熙。
2009年，裴斗娜与ARATA、板尾创路合作主演由是枝裕和执导的漫改爱情科幻片《空气人偶》，饰演没有思想、长相可爱的充气娃娃，凭借该片获得日本奥斯卡优秀女主演奖提名；同年，裴斗娜出版了在伦敦亲自拍摄的相片和旅行所感在内的旅行摄影集《娜的伦敦之行》。
2010年，裴斗娜与金秀路合作主演由柳贤基执导KBS喜剧《学习之神》，饰演英语老师“韩秀晶”一角。
2012年，裴斗娜与汤姆·汉克斯、哈莉·贝瑞、休·格兰特出演改编自大卫·米切尔的同名畅销小说的科幻片《云图》，首次挑战一人分饰两角，分别饰演2144年首尔的克隆人和19世纪的美国人，影片讲述了从19世纪太平洋开始到文明毁灭后的未来世界里，各时代和场景下的6个故事；5月，与河智苑合作主演体育励志片《朝韩梦之队》，饰演朝鲜队的女乒选手“李粉姬”一角，该片讲述了韩国与朝鲜的国家代表经历46日，由对立、矛盾的立场逐渐成为“Korea”团队的辛酸感人故事。
2014年，裴斗娜主演剧情片《道熙呀》，饰演在偏远海港小镇任职的派出所所长李英男，凭借该片获得第9届亚洲电影大奖最佳女演员奖、第20届春史电影节最佳女主角奖和第23届中国金鸡百花电影节最受观众喜爱的外国女演员奖。
2015年，裴斗娜主演美国科幻片《木星上行》，饰演Razo，这也是继科幻片《云图》之后再度与导演沃卓斯基姐弟合作；6月，主演美国科幻剧集《超感猎杀》，饰演精通各种格斗术的企业副总裁，为保护家族名声替亏空公款的弟弟顶罪而入狱“善Sun”一角。
2016年，裴斗娜继续主演美国科幻剧集《超感猎杀第二季》；8月10日，与河正宇合作主演的灾难片《隧道》上映，饰演男主李正洙的妻子“世贤”一角。
2017年，裴斗娜与曹承佑合作主演tvN犯罪悬疑《秘密森林》，饰演充满正义感的女警“韩汝真”一角。
2018年，裴斗娜与车太铉合作主演KBS月火剧《最完美的离婚》，饰演随性生活的妻子“姜辉璐”一角；12月，与宋康昊合作主演犯罪片《麻药王》上映，饰演美艳说客“金静雅”一角。
2019年，裴斗娜与朱智勋合作主演Netflix古装僵尸惊悚剧《王国》，饰演协助世子调查神秘疫病的医女“徐菲”一角。
2020年，裴斗娜继续主演Netflix古装僵尸惊悚剧《王国第二季》；8月，与曹承佑主演的电视剧《秘密森林2》在tvN播出。9月8日， Netflix原创韩剧《寂静的大海》发布剧本围读照，演员裴斗娜等确认主演该剧。
掮客 2022 导演是枝裕和 主演宋康昊
麻药王2018-12 饰演金静雅 导演禹民镐 主演宋康昊
隧道2016-08 饰演世贤 导演金成勋 主演河正宇
木星上行2015 饰演Razo 导演安迪·沃卓斯基，拉娜·沃卓斯基 主演查宁·塔图姆、米拉·库妮丝、埃迪·雷德梅恩、肖恩·宾
道熙呀2014 饰演李英男 导演郑朱莉 主演金赛纶、宋清晨、张熙珍
被骗如梦,欺骗如梦2013 导演金慧妍 主演东海
云图2012 饰演星美451 导演汤姆·提克威 主演汤姆·汉克斯
人类灭亡报告书2012 导演韩在林 主演宋清晨
朝韩梦之队2012 饰演李粉姬 导演文贤盛 主演河智苑
空气人偶2009 饰演充气娃娃 导演是枝裕和 主演板尾创路
汉江怪物2006 饰演南珠 导演奉俊昊 主演宋康昊
琳达琳达2005 饰演宋 导演山下敦弘 主演前田亚季、香椎由宇
乐韵情天2003 主演苏志燮、申盛宇
恋恋春熊2003 导演龙伊 主演金南镇
我要复仇2002 导演朴赞郁 主演宋康昊、申河均
拯救我的丈夫2002 主演金泰佑
地铁危机2002 饰演仁静 导演边云鹤 主演金锡勋
猫咪少女2001 饰演太熙 导演郑在恩 主演李瑶媛
秘密森林22020-08 导演朴铉锡 主演曹承佑
王国第二季2020-03-13 饰演徐菲 导演金成勋 主演朱智勋、柳承龙
王国2019-01-25 饰演徐菲 导演金成勋 主演朱智勋、柳承龙
最完美的离婚2018-10 饰演姜辉璐 导演柳贤基 主演车太铉
秘密森林2017-06-10 饰演韩汝真 导演安吉镐 主演曹承佑
超感猎杀第二季2016 饰演善Sun 导演拉娜·沃卓斯基、莉莉·沃卓斯基 主演布莱恩·J·史密斯、塔彭丝·米德尔顿
超感猎杀2015-06-05 饰演善Sun 导演拉娜·沃卓斯基、莉莉·沃卓斯基 主演布莱恩·J·史密斯、塔彭丝·米德尔顿
Gloria/ 荣耀之歌2010 饰演珍珍 导演金民植 主演李天熙
学习之神2010 饰演韩秀晶 导演柳贤基 主演金秀路
遇见完美邻居的方法2007 饰演郑允熙 导演赵南国 主演金承佑
驿动的心2005 饰演崔智英 导演吴庆勋 主演金东万
迷迭香2003 导演李英国 主演柳好贞
野蛮少女2003 导演金振万 主演申成宇
男和女2001 导演李润基 主演孔刘
孪生兄妹2000 导演李冠熙 主演安在旭
总是挂念2000 主演池城
2016 第53届韩国电影大钟奖最佳女演员奖 隧道 （提名）
2016 第37届韩国青龙电影奖人气明星奖 （获奖）
2016 第37届韩国青龙电影奖最佳女配角奖 隧道 （提名）
2006 第27届韩国青龙电影奖最佳女配角奖 汉江怪物 （提名）
2002 第23届韩国青龙电影奖最佳女演员奖 我要复仇 （提名）
2000 第21届韩国青龙电影奖最佳新人女演员奖 绑架门口狗 （获奖）
2017 第53届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女配角奖 隧道 （提名）
2015 第51届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女演员奖 道熙呀 （提名）
2002 第38届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女演员奖 猫咪少女 （获奖）
2015 第9届亚洲电影大奖最佳女演员奖 道熙呀 （获奖）
2010 第4届亚洲电影大奖最佳女演员奖 空气人偶 （提名）
2015 第20届春史电影节最佳女主角奖 道熙呀 （获奖）
2001 第9届春史电影节最佳女主角 （获奖）
2002 第22届韩国电影评论家协会奖最佳女主角奖 猫咪少女 （获奖）
2001 第21届韩国电影评论家协会奖最佳女主角奖 拜托一只猫 （获奖）
2014 第23届中国金鸡百花电影节最受观众喜爱的外国女演员奖 道熙呀 （获奖）
2010 第33届日本电影学院奖优秀女主演 空气人偶 （提名）
2010 第19届东京体育电影大奖优秀女主演 空气人偶 （获奖）
2010 第23届日本高崎电影节优秀女主演 空气人偶 （获奖）
2008 Chlotrudis Awards最佳女配角 （提名）
2006 第9届director’s cut颁奖礼演技奖 （获奖）
2000 KBS演技大赏人气奖 （获奖）
1999 KBS演技大赏新人奖 （获奖）
裴斗娜出道后显露出与其他新人不同的特质，在摄像机面前她一点都不紧张，表演真实自然、毫不夸张。她的性格沉静且特立独行，电影作品类型多样，勇于突破和挑战自己的戏路，甚至一些裸露场面也毫不避讳。（新华网、搜狐娱乐等综合评）
在韩国影视圈，走“另类”路线的裴斗娜绝对算不上是美女，但她那长得像顽童一样的模样，说话直截了当的风格，反而在众女星中凸显了她的独特。古灵精怪的个性和另人琢磨不定的接片原则，裴斗娜和众多看上去都很类似的韩国美女完全不同。没有票房热门作品，不是典型美女，但优秀的电影剧本却能源源不断地进入她的手中，而且也是朴赞郁、奉俊昊、金知云等导演最喜欢的女演员之一。（网易娱乐、新浪娱乐等综合评）。
