袁泉出生于湖北省荆州市，11岁时考入中国戏曲学院附中，开始了7年的京剧表演学习。1996年考入中央戏剧学院，和同届的章子怡、梅婷、胡静、曾黎、张彤、秦海璐并称“七朵金花”。
2000年，参演霍建起导演的电影《蓝色爱情》，凭借饰演的刘云一角获得第8届北京大学生电影节最佳女演员奖 以及第21届中国电影金鸡奖最佳女主角提名 。
2002年，参演电视剧《有情鸳鸯无情剑》 、《旋涡》 ；同年，凭借电影《美丽的大脚》获得第22届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 。
2003年，与夏雨、梁静合作出演电影《警察有约》 。
2004年，出演王晶导演的电视剧《小鱼儿与花无缺》，饰演苏樱一角。
2005年，出演大型多媒体音乐话剧《琥珀》，该剧演出门票在香港三天内预售达到3000张，创下香港话剧的销售纪录 ；同年，参演电影《上海伦巴》 。
2006年，6月，主演的话剧《电影之歌》举行全国巡演 ；10月，赴北京参与话剧《暗恋桃花源》的彩排 ；11月，在话剧《暗恋桃花源》中饰演温柔婉约的云之凡，并演唱主题曲《暗恋》 。
2006年，参演电视剧《花之恋》。
袁泉
2007年，3月，凭借专辑《孤独的花朵》获得第十四届东方风云榜颁奖礼“最佳音乐录影带奖” ；4月，在北京王府井举办《孤独的花朵》音乐作品集签售会 ；5月，入选“中国话剧百年名人堂” ；11月，获得2007大学生音乐节颁奖典礼年度最受欢迎女歌手奖。2008年，1月，获得新浪网络盛典年度内地女歌手奖； 7月，发行EP《台北》 。
2009年，1月，发行EP《ShortStay北京》 ；4月，凭借专辑《ShortStay台北/冲绳》获得第九届音乐风云榜年度盛典最佳EP专辑奖 ；10月，凭借电影《如梦》获得第46届台湾电影金马奖最佳女主角提名 。
2010年，在《新京报》举办的“中国最美50人”评选中排名第29位 。
2012年，出演电影《大上海》，在片中饰演一代京剧名伶叶知秋。2013年，凭借话剧《简·爱》获得第26届中国戏剧梅花奖 。随后，参演电影《扫毒》，在剧中饰演阿秋的妻子； 同年，参演电影《澳门风云2》，饰演小马妻。
2014年，参演电影《心花路放》 ；同年，参演电影《黄金时代》 。12月28日，与黄渤、倪大红等合作主演的谍战剧《锋刃》在央视一套播出 。
2016年，参演赵薇导演作品《没有别的爱》 ；8月18日，参演的动作电影《危城》上映 ；12月16日，参演的电影《罗曼蒂克消亡史》上映。
2017年7月4日，主演的都市情感剧《我的前半生》首播，该剧由沈严执导，袁泉在剧中饰演了职场女强人唐晶一角 。8月，领衔主演由陈冲编剧执导的剧情片《英格力士》 。10月26日，主演的交通救捞题材电视剧《碧海雄心》于山东卫视和央视播出 。
2018年3月15日，袁泉凭借电视剧《我的前半生》中唐晶一角获得2018电视剧品质盛典“年度表演剧星” ；同年4月，与陆毅合作出演了现实主义题材剧《风再起时》，剧中饰演女主角何晓莺 。
2019年5月17日，与胡军合作出演的电影《音乐家》上映 。同年，袁泉加盟由乌尔善导演执导的电影《封神三部曲》，在片中饰演姜王后 。9月30日，与张涵予、欧豪、杜江合作主演的传记灾难电影《中国机长》上映，片中饰演乘务长毕男 。11月，参演电视剧《庆余年》播出 。12月20日，出演的都市律政剧《精英律师》在东方卫视、北京卫视首播，并在爱奇艺、腾讯视频同步播出 。
2020年，袁泉出演的由徐峥执导的电影《囧妈》于1月25日（大年初一）上线网络播出 ；6月10日，由简川訸执导，袁泉、雷佳音、张艺兴、贾乃亮等出演的正午阳光新剧《落花时节》开机拍摄 ；凭借电影《中国机长》，分别于9月和11月获得了第35届中国电影百花奖和第33届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 ；12月28日，参演的电视剧《流金岁月》播出，在剧中饰演戴茜 。
2021年3月8日，参演电影《1921》公布主要女演员阵容 。7月9日，领衔主演抗疫题材电影《中国医生》 。
1996年袁泉考入中央戏剧学院，与夏雨相识。1999年夏雨和袁泉正式交往。
2005年袁泉对媒体暗示和夏雨的感情走到瓶颈期。 2006年9月，一张夏雨和范冰冰绯闻照在网上传出。同年9月19日，范冰冰澄清两人只是在聊天 。2007年年初，袁泉和夏雨分手； 10月，夏雨和袁泉共同出席16届中国金鸡百花电影节，并被拍到一同返回的照片，两人复合。
2009年8月28日，夏雨和袁泉登记结婚。 2010年3月31日，袁泉在北京顺利分娩，产下一名女婴。
2002年10月袁泉成为北京市朝阳区志愿者协会注册会员。 从2002年开始，袁泉领养了10个贫困地区的孩子。 2004年袁泉参加“粉红丝带”活动，并担任健康形象大使。
2007年6月云南省普洱县发生地震，袁泉展开普洱茶爱心义卖活动，并将筹集的善款捐给普洱中学1500名家庭年收入不足800元的特困学生； 11月参与嘉人“香烛计划”； 12月参加基金“嫣然天使基金·2007上海慈善晚宴”； 12月5日参加艾莱依“彩虹计划”活动，袁泉捐出近5万元用于资助浙江省的20名贫困学生。
2008年10月帝亚吉欧举行抵制酒后驾车公益活动，袁泉和李宗翰担任该活动的“守护天使”。 2009年3月袁泉受《时尚健康》杂志邀请担任“抗抑郁运动”的快乐大使； 4月参加四川卫视推出的公益节目《5·12中国爱·中国娇子爱心行动》； 6月出席MTV发起的公益活动，呼吁女性自我保护； 8月参与嘉人“香烛计划”； 12月8日出席“嫣然天使基金2009年度慈善晚宴”。
袁泉是个很用心的演员，不管是否有她的戏份，只要有排练，她准会到场。没有她戏的时候，她会在剧场边的椅子上蜷着看别人演。（孟京辉评）
她是一个很纯粹的演员，一直不断地在戏剧舞台上创作好的作品；她真心的热爱舞台艺术也因此推掉了许多影视剧。（黄渤评）
袁泉在事业上是一位成功的演员，在生活中她是一位充满爱心的女性，成功与爱心并重使她气质独特。（新浪网评）
袁泉的性格并不像是一个人们传统概念中的演员。她羞涩安静，与生人相处时可能会一天不说话，就像是人们常说的那种邻家女孩。在星光灿烂的领奖台上，她干净清爽，反而与众不同。（中国新闻网评）