颜丙燕出生于北京。6岁开始学舞蹈，11岁考进北京歌舞团，通过专业的舞蹈训练，成为一名职业舞者 。
1994年，中国香港和内地合拍电影《追捕野狼帮》，原定的中国香港女演员由于档期原因不能参演，颜丙燕获得参演机会，在剧中担任第一女主角饰演一个女特警队长，这是她的首部电影作品 。
1995年，参演首部电视剧《甘十九妹》 。
金鸡封后作品爱情的牙齿
1997年，参演电视剧《红十字方队》，并夺得第16届中国电视金鹰奖最佳女配角奖 。2001年，参演江珊、李幼斌主演的电视剧《永不放弃》，饰演王现代一角。
2002年8月，在陈坤、林心如、杨雪的主演电视剧《非你不可》中饰演林江浩的妻子。
2004年，与张铁林主演电视剧《人生几度秋凉》 。
2007年，参演电影《爱情的牙齿》，饰演钱叶红一角，凭此片获得金鸡奖最佳女主角奖 。
2010年6月24日，主演的电视剧《远山的红叶》在央视一套黄金时间播出，颜丙燕在剧中出演四川南江纪委书记王瑛一角。
2011年3月，参演张嘉译主演的谍战剧《借枪》，与张嘉译在剧中饰演一对夫妻 ；8月，主演的电视剧《满秋》陆续在江苏、广东、沈阳、深圳、青岛、云南等地区播出，在剧中与三个男人发生情感纠葛，还成为单亲妈妈，并与好友李坤霖上演了温情“柏拉图之恋” 。
2012年11月，主演的电影《万箭穿心》上映，获得中国电影导演协会、北京大学生电影节、电影百合奖、北京国际电影节“天坛奖”、华语电影传媒大奖、中国电影华表奖最佳女主角奖 ，2013年12月，颜丙燕再度凭借该片斩获首届伦敦国际华语电影节最佳女主角金骑士奖 。
2014年3月，与王刚领衔主演黄力加执导的电视剧《家宴》在北京、广东、江西、湖北卫视播出，颜丙燕饰演一度陷入事业、感情、家庭危机的冯大米 。4月，出席第四届北京国际电影节天坛奖颁奖典礼，为章子怡颁奖。6月，受聘担任第17届上海国际电影节亚洲新人奖评委 。
2015年9月16日，颜丙燕连同王德顺、李乃文、王晴等主演的电影《养老计划》在京举行开机仪式 。
2016年，颜丙燕凭借电影《盛先生的花儿》获得第19届上海国际电影节电影频道传媒关注单元“最受传媒关注女主角”荣誉 。
2017年4月，出演电影《香港大营救》 。8月，出演电视剧《阳光法庭》
2018年，零台词出演电影《冬去冬又来》 。
2020年7月20日，与俞飞鸿、姜武等主演的电视剧《爱之初》正式播出 ；10月29日，与郭京飞、谭卓主演的现代谍战剧《对手》开机，在剧中饰演国家安全局的侦查员段迎九 ；11月14日，主演的电影《冬去冬又来》上映，并在片中饰演战争摧残、丧失语言能力的女主角坤儿 。
颜丙燕电影海报
颜丙燕是一个在镜头前发光的演员，私底下穿着羽绒服的身影娇小的如邻家女孩，而镜头里，那个穿着旗袍，时而妩媚，时而大气的奇女子，却在她的塑造下熠熠生辉（新浪娱乐评） 。因在电影《万箭穿心》中“演活了”李宝莉一角，颜丙燕一度被媒体称为中国的“梅丽尔·斯特里普”；从《爱情的牙齿》中那个敢爱敢恨的北京姑娘钱叶红，到《守护童年》中对服刑人员子女全情投入的女警官薛子莹，再到《万箭穿心》中百折不挠的女扁担李宝莉，颜丙燕在对每一个角色的塑造上都倾尽所有，力求做到最好（搜狐娱乐评） 。