Saat remaja Koo Hye-sun bercita-cita menjadi seorang penyanyi, ketika duduk di bangku sekolah menengah, dia mendirikan sebuah band dengan teman-teman sekolahnya, namun karena koo hye sun mendapatkan popularitas sebagai Ulzzang (best face) di internet, dia menunda keinginannya tersebut. Koo Hye-sun kemudian bergabung dengan agensi YG Entertainment dan berharap bisa menjadi penyanyi. Tetapi Hyeon Seok Yang, CEO YG entertainment, menganjurkannya untuk meniti karier di bidang akting dibanding musik.
Kemunculan pertamanya di layar televisi adalah di iklan Sambo Computer tahun 2002. Debut pertama di dunia akting dilakoni dalam serial televisi produksi KBS, Drama city tahun 2004. Perannya sebagai Hyejin dalam drama Nonstop 5 produksi MBC 2005 mulai mencuri perhatian pemirsa televisi. Namanya semakin diperhitungkan setelah drama Pure 19 (2006) yang dimainkannya sukses. Di drama itu selain didapuk menjadi pemeran utama, Hye-sun juga menyanyikan original soundtracknya. Di awal tahun 2009 perannya sebagai Geum Jandi di dalam serial fenomenal Boys Before Flowers membuatnya namanya semakin terkenal hampir ke seluruh Asia Timur dan Tenggara menyusul kesuksesan drama tersebut.
Pada tahun 2009 ia juga mencoba mengembangkan bakatnya ke dalam bidang seni lain. Pada 1 April, 2009 Koo menerbitkan novel yang berjudul Tango. Novel Tango, meledak di pasaran dan dalam seminggu telah terjual di atas 30.000 copy. Koo juga merambah dunia film sebagai sutradara untuk sebuah film pendek yang berjudul The Cheerful Caretaker (yukwaehan dowoomi), film ini berkisah sekitar topik tentang bunuh diri. Dalam film ini Koo Hye-sun tak hanya sebagai Sutradara, ia juga merangkap sebagai penulis cerita, editor, dan penggubah musik. The Cheerful Caretaker di putar di Busan Asian Short Film Festival 2009 dan berhasil menerima penghargaan Audience Award. Film ini juga masuk ke dalam Pucheon International Fantastic Film Festifal 2009.
Koo Hye-sun membuka pameran lukisan pertama nya ( diilhami oleh lukisan dari novel tango) dari 1 - 7 july 2009 di galeri La Mer Insadong, Seoul. Pemeran drama Boys Before Flowers lainnya Lee Min Ho dan Kim Joon menyempatkan diri datang dalam pembukaannya. Hye-sun juga meluncurkan album pertama di bulan Oktober 2009, album itu bertitel Breath yang terdiri dari 8 lagu instrumental piano, kecuali lagu around the corner yang dinyanyikan Penyanyi Gummy