Născută în 1981 în Coreea, Song Hye-kyo a câștigat un concurs de frumusețe la vârsta de 15 ani, fapt care i-a permis să primească primul ei rol în serialul de televiziune Merry Morning. Joacă în mai multe sitcom-uri, înainte de se impune în drama TV Autumn in my Heart, în 2000, rol care i-a adus o popularitate fără precedent în întreaga Asie.
În 2004 apare în Full House, un imens succes de televiziune, ca apoi să-și facă debutul în film în My Girl and I, aclamat de critici și de public. Refuză alte roluri oferite, pleacă în SUA pentru a învăța limba engleză și, astfel, își întrerupe cariera timp de doi ani. În 2008 apare în primul său film american, Make Yourself at Home, un thriller psihologic despre o femeie tânără care încearcă să-și înfrângă destinul. În același an, revine în televiziune cu The World that they Live in.
În 2011 este solicitată de John Woo pentru Love and let Love, ale cărui filmări, întrerupte în mod repetat, urmează a fi reluate anul acesta. Ea joacă rolul unei tinere bogate și hotărâte, iar acțiunea se petrece în perioada în care China devine comunistă.
Pentru THE GRANDMASTER, Song Hye-kyo a trebuit să învețe cantoneza și arte marțiale.