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2000年，李素妍通过KBS2《dramacity》登台，并出演了KTF同WHITE的广告。
2003年，李素妍与裴勇俊、全度妍、李美淑等主演情色电影《丑闻》出道，饰演小玉。
2004年，李素妍与张铉诚、赵成夏等主演了电影《羽毛》。
2005年，李素妍参演由高贤廷、池珍熙、赵寅成、申冲植等主演的时装电视剧《春日》，饰演金庆雅；接着与韩佳人、文政赫、吴志浩等主演了青春浪漫喜剧《新进社员》，饰演徐娴雅。
2006年，李素妍与韩孝珠、徐道营、丹尼尔等主演了KBS电视剧《春天华尔兹》，饰演怡娜；之后又参演了由徐伶和、赵熙奉、金东英等主演的剧情片《阳光的一天》。
2007年，李素妍与车太贤、林彩武等主演了喜剧电影《蒙面达虎》，饰演想成为Trot歌手的女孩；10月26日，李素妍以《我的完美生活》获得第十六届中国金鸡百花电影节观众最喜爱的外国女演员奖。
2008年，李素妍与金智勋、金承秀等主演爱情喜剧片《为什么来我家》，饰韩美秀；又与文素利、申成禄、李泰林等主演了《我人生的黄金期》，饰演自幼随母亲改嫁的李金；12月30日，李素妍凭《我人生的黄金期》获MBC演技大赏新人女演员奖。
2009年，李素妍与金泰贤、裴秀彬、韩振熙、车和娟等主演《妻子的诱惑》反转版《天使的诱惑》，饰演背叛的妻子；12月31日，李素妍凭《天使的诱惑》获SBS演技大奖新星奖。
2010年，李素妍与韩孝珠、池珍熙、裴秀彬、朴河宣、郑镇荣等主演古装剧《同伊》，饰演张禧嫔。12月30日，李素妍因《同伊》获2010年度MBC演技大奖优秀女演员奖。
2011年，李素妍与温朱万、李载允和全慧彬主演了SBS周末剧《我的爱在我身边》，饰演道美索；12月31日，李素妍凭《我的爱在身边》获2011SBS演技大奖优秀表演奖。
2012年，李素妍参演了由宋承宪、金在中、李凡秀、朴敏英等主演的MBC周末剧《仁医》，饰演朝鲜时代红极一时的名妓春红；随后，李素妍与李奎汉联袂主演了SBS剧《家族的诞生》，饰演李秀晶。
2013年12月29日，李素妍凭《我们结婚了》获2013MBC演艺大赏ShowVariety女子优秀奖；12月31日，因《红宝石戒指》获2013KBS演技大赏日日剧部门优秀演技奖。
2014年，李素妍与南宫民、李源根、尹素熙、朴海美等主演了JTBC电视台新周末剧《山蒜酱汤：12年后的重逢》，饰演张达莱。
2015年,李素妍与姜恩卓、徐道营等主演了MBC电视台日日连续剧《美丽的你》，饰演车书京。
2017年，李素妍与崔民秀、姜艺媛、申盛禄等主演了MBC电视台水木奇幻喜剧《死而复生的男人》，饰演李智英B。
2018年，李昇基，车胜元，吴涟序，李洪基，张光主演的TVN电视台奇幻剧《花游记》，特别出演饰演美丽神秘的书贩子。
李素妍和宋一坤于2004年在电影《羽毛》中以导演和演员的身份见面，之后陷入爱河。2007年4月初，两人因繁忙的工作和性格不合等问题分手。
李素妍公开称将于2015年9月12日与小自己两岁的中小企业家男友举行婚礼，否认因怀孕而将原本定的10月改到9月。
2007年8月，李素妍和温朱万担任第三界济川国际音乐电影节宣传大使。
2008年8月，李素妍与李真等11名韩国明星参加了为宣传独岛的活动而募集资金的慈善写真集拍摄活动。
2012年4月，李素妍与秋素英、申恩庆、柳秀荣等出席“2012希望TVSBS”。
2014年3月12日，李素妍出席《InStyle》创刊11周年慈善活动。