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1999年，裴斗娜在街上闲逛时被服装公司的制作人发掘，从平面模特儿到拍摄电视广告、演出戏剧及主持广播节目。早在裴斗娜出道初期，还是服装杂志的专属模特时，曾被导演王家卫看中并力邀她到香港演艺圈发展，但她以时机不成熟为由而婉拒了。
1999年，裴斗娜被KBS电视台选定出演首部电视剧《学校》，凭借该剧获得新秀奖。
2000年，裴斗娜主演奉俊昊执导的喜剧片《绑架门口狗》，凭借该片获得韩国青龙奖最佳新人女演员奖。
2001年，裴斗娜出演由郑在恩执导的青春片《猫咪少女》，饰演和周围人格格不入的可爱梦想家“太熙”一角，凭借该片获得韩国最佳女性电影人大奖最佳演技奖、第21届韩国影评人协会奖最佳女演员奖和第38届百想艺术大奖最佳女演员奖等；同年，与金来沅合作主演爱情伦理片《青春》，饰演单纯直率、敢爱敢恨的护士“珍妮”一角，并奉献了大尺度演出。
2002年，裴斗娜主演动作惊悚片《地铁危机》，饰演一个在地铁站以扒窃别人身上财物为生的小偷“仁静”一角，该片以汉城地下铁作故事背景；同年，出演由朴赞郁执导的犯罪片《我要复仇》，饰演一个迫于极端的困境而伤害自己恋人的女孩。
2003年，裴斗娜主演爱情喜剧片《恋恋春熊》，剧中裴斗娜穿上校服，与男主角展开一段纯纯的校园恋情。
2005年，裴斗娜参演由李大荣执导的《加油！金顺》，饰演一个独立坚强的家庭主妇，首次出演年轻妈咪的形象；同年，作为特邀演员，加盟日本影业公司投拍的山下敦弘执导的青春校园片《琳达琳达》，以27岁的年纪出演高中生，饰演高校乐队的主唱、来自韩国的留学生“宋”一角。
2006年，裴斗娜与宋康昊合作主演科幻片《汉江怪物》，扮演男主的妹妹射击运动员“南珠”一角，凭借该片获得韩国电影青龙奖的“最佳女配角”提名。为了更贴近该角色，裴斗娜花了三个月的时间练习射箭技术，所有射箭场面她都亲身上阵；同年，裴斗娜主演OCN爱情剧《有一天》，饰演在日本的侨胞女漫画家“山口花”一角。
2007年，裴斗娜主演SBS电视剧《遇见完美邻居的方法》，饰演过着平凡人生、但为人亲切热心的J建设公司秘书郑允熙。
2009年，裴斗娜与ARATA、板尾创路合作主演由是枝裕和执导的漫改爱情科幻片《空气人偶》，饰演没有思想、长相可爱的充气娃娃，凭借该片获得日本奥斯卡优秀女主演奖提名；同年，裴斗娜出版了在伦敦亲自拍摄的相片和旅行所感在内的旅行摄影集《娜的伦敦之行》。
2010年，裴斗娜与金秀路合作主演由柳贤基执导KBS喜剧《学习之神》，饰演英语老师“韩秀晶”一角。
2012年，裴斗娜与汤姆·汉克斯、哈莉·贝瑞、休·格兰特出演改编自大卫·米切尔的同名畅销小说的科幻片《云图》，首次挑战一人分饰两角，分别饰演2144年首尔的克隆人和19世纪的美国人，影片讲述了从19世纪太平洋开始到文明毁灭后的未来世界里，各时代和场景下的6个故事；5月，与河智苑合作主演体育励志片《朝韩梦之队》，饰演朝鲜队的女乒选手“李粉姬”一角，该片讲述了韩国与朝鲜的国家代表经历46日，由对立、矛盾的立场逐渐成为“Korea”团队的辛酸感人故事。
2014年，裴斗娜主演剧情片《道熙呀》，饰演在偏远海港小镇任职的派出所所长李英男，凭借该片获得第9届亚洲电影大奖最佳女演员奖、第20届春史电影节最佳女主角奖和第23届中国金鸡百花电影节最受观众喜爱的外国女演员奖。
2015年，裴斗娜主演美国科幻片《木星上行》，饰演Razo，这也是继科幻片《云图》之后再度与导演沃卓斯基姐弟合作；6月，主演美国科幻剧集《超感猎杀》，饰演精通各种格斗术的企业副总裁，为保护家族名声替亏空公款的弟弟顶罪而入狱“善Sun”一角。
2016年，裴斗娜继续主演美国科幻剧集《超感猎杀第二季》；8月10日，与河正宇合作主演的灾难片《隧道》上映，饰演男主李正洙的妻子“世贤”一角。
2017年，裴斗娜与曹承佑合作主演tvN犯罪悬疑《秘密森林》，饰演充满正义感的女警“韩汝真”一角。
2018年，裴斗娜与车太铉合作主演KBS月火剧《最完美的离婚》，饰演随性生活的妻子“姜辉璐”一角；12月，与宋康昊合作主演犯罪片《麻药王》上映，饰演美艳说客“金静雅”一角。
2019年，裴斗娜与朱智勋合作主演Netflix古装僵尸惊悚剧《王国》，饰演协助世子调查神秘疫病的医女“徐菲”一角。
2020年，裴斗娜继续主演Netflix古装僵尸惊悚剧《王国第二季》；8月，与曹承佑主演的电视剧《秘密森林2》在tvN播出。9月8日，Netflix原创韩剧《寂静的大海》发布剧本围读照，演员裴斗娜等确认主演该剧。
掮客2022导演是枝裕和主演宋康昊
麻药王2018-12饰演金静雅导演禹民镐主演宋康昊
隧道2016-08饰演世贤导演金成勋主演河正宇
木星上行2015饰演Razo导演安迪·沃卓斯基，拉娜·沃卓斯基主演查宁·塔图姆、米拉·库妮丝、埃迪·雷德梅恩、肖恩·宾
道熙呀2014饰演李英男导演郑朱莉主演金赛纶、宋清晨、张熙珍
被骗如梦,欺骗如梦2013导演金慧妍主演东海
云图2012饰演星美451导演汤姆·提克威主演汤姆·汉克斯
人类灭亡报告书2012导演韩在林主演宋清晨
朝韩梦之队2012饰演李粉姬导演文贤盛主演河智苑
空气人偶2009饰演充气娃娃导演是枝裕和主演板尾创路
汉江怪物2006饰演南珠导演奉俊昊主演宋康昊
琳达琳达2005饰演宋导演山下敦弘主演前田亚季、香椎由宇
乐韵情天2003主演苏志燮、申盛宇
恋恋春熊2003导演龙伊主演金南镇
我要复仇2002导演朴赞郁主演宋康昊、申河均
拯救我的丈夫2002主演金泰佑
地铁危机2002饰演仁静导演边云鹤主演金锡勋
猫咪少女2001饰演太熙导演郑在恩主演李瑶媛
秘密森林22020-08导演朴铉锡主演曹承佑
王国第二季2020-03-13饰演徐菲导演金成勋主演朱智勋、柳承龙
王国2019-01-25饰演徐菲导演金成勋主演朱智勋、柳承龙
最完美的离婚2018-10饰演姜辉璐导演柳贤基主演车太铉
秘密森林2017-06-10饰演韩汝真导演安吉镐主演曹承佑
超感猎杀第二季2016饰演善Sun导演拉娜·沃卓斯基、莉莉·沃卓斯基主演布莱恩·J·史密斯、塔彭丝·米德尔顿
超感猎杀2015-06-05饰演善Sun导演拉娜·沃卓斯基、莉莉·沃卓斯基主演布莱恩·J·史密斯、塔彭丝·米德尔顿
Gloria/荣耀之歌2010饰演珍珍导演金民植主演李天熙
学习之神2010饰演韩秀晶导演柳贤基主演金秀路
遇见完美邻居的方法2007饰演郑允熙导演赵南国主演金承佑
驿动的心2005饰演崔智英导演吴庆勋主演金东万
迷迭香2003导演李英国主演柳好贞
野蛮少女2003导演金振万主演申成宇
男和女2001导演李润基主演孔刘
孪生兄妹2000导演李冠熙主演安在旭
总是挂念2000主演池城
2016第53届韩国电影大钟奖最佳女演员奖隧道（提名）
2016第37届韩国青龙电影奖人气明星奖（获奖）
2016第37届韩国青龙电影奖最佳女配角奖隧道（提名）
2006第27届韩国青龙电影奖最佳女配角奖汉江怪物（提名）
2002第23届韩国青龙电影奖最佳女演员奖我要复仇（提名）
2000第21届韩国青龙电影奖最佳新人女演员奖绑架门口狗（获奖）
2017第53届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女配角奖隧道（提名）
2015第51届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女演员奖道熙呀（提名）
2002第38届韩国百想艺术大赏电影类-最佳女演员奖猫咪少女（获奖）
2015第9届亚洲电影大奖最佳女演员奖道熙呀（获奖）
2010第4届亚洲电影大奖最佳女演员奖空气人偶（提名）
2015第20届春史电影节最佳女主角奖道熙呀（获奖）
2001第9届春史电影节最佳女主角（获奖）
2002第22届韩国电影评论家协会奖最佳女主角奖猫咪少女（获奖）
2001第21届韩国电影评论家协会奖最佳女主角奖拜托一只猫（获奖）
2014第23届中国金鸡百花电影节最受观众喜爱的外国女演员奖道熙呀（获奖）
2010第33届日本电影学院奖优秀女主演空气人偶（提名）
2010第19届东京体育电影大奖优秀女主演空气人偶（获奖）
2010第23届日本高崎电影节优秀女主演空气人偶（获奖）
2008ChlotrudisAwards最佳女配角（提名）
2006第9届director’scut颁奖礼演技奖（获奖）
2000KBS演技大赏人气奖（获奖）
1999KBS演技大赏新人奖（获奖）
裴斗娜出道后显露出与其他新人不同的特质，在摄像机面前她一点都不紧张，表演真实自然、毫不夸张。她的性格沉静且特立独行，电影作品类型多样，勇于突破和挑战自己的戏路，甚至一些裸露场面也毫不避讳。（新华网、搜狐娱乐等综合评）
在韩国影视圈，走“另类”路线的裴斗娜绝对算不上是美女，但她那长得像顽童一样的模样，说话直截了当的风格，反而在众女星中凸显了她的独特。古灵精怪的个性和另人琢磨不定的接片原则，裴斗娜和众多看上去都很类似的韩国美女完全不同。没有票房热门作品，不是典型美女，但优秀的电影剧本却能源源不断地进入她的手中，而且也是朴赞郁、奉俊昊、金知云等导演最喜欢的女演员之一。（网易娱乐、新浪娱乐等综合评）。
