袁泉出生于湖北省荊州市，11歲時(shí)考入中國戲曲學(xué)院附中，開始了7年的京劇表演學(xué)習(xí)。1996年考入中央戲劇學(xué)院，和同屆的章子怡、梅婷、胡靜、曾黎、傅晶、秦海璐并稱“七朵金花”。 

1999年，參演首部電影《春天的狂想》，憑借飾演的周小玫一角獲得第19屆中國電影金雞獎(jiǎng)最佳女配角獎(jiǎng)；同年出演首部話劇《梁�！�。2000年參演霍建起導(dǎo)演的電影《藍(lán)色愛情》，憑借飾演的劉云一角獲得第8屆北京大學(xué)生電影節(jié)最佳女演員獎(jiǎng)以及第21屆中國電影金雞獎(jiǎng)最佳女主角提名。

2002年，參演電視劇《有情鴛鴦無情劍》 、《旋渦》；憑借電影《美麗的大腳》獲得第22屆中國電影金雞獎(jiǎng)最佳女配角獎(jiǎng)。

2003年，與夏雨、梁靜合作出演電影《警察有約》。

2004年，出演王晶導(dǎo)演的電視劇《小魚兒與花無缺》，飾演蘇櫻一角。

2005年，出演大型多媒體音樂話劇《琥珀》，該劇演出門票在香港三天內(nèi)預(yù)售達(dá)到3000張，創(chuàng)下香港話劇史上最快銷售紀(jì)錄 ；同年參演電影《上海倫巴》。

2006年6月主演的話劇《電影之歌》舉行全國巡演；10月赴北京參與話劇《暗戀桃花源》的彩排；11月在話劇《暗戀桃花源》中飾演溫柔婉約的云之凡，并演唱主題曲《暗戀》  。2006年參演電視劇《花之戀》。

2007年3月，憑借專輯《孤獨(dú)的花朵》獲得第十四屆東方風(fēng)云榜頒獎(jiǎng)禮“最佳音樂錄影帶獎(jiǎng)”；4月在北京王府井舉辦《孤獨(dú)的花朵》音樂作品集簽售會(huì)；5月入選“中國話劇百年名人堂”；11月獲得2007大學(xué)生音樂節(jié)頒獎(jiǎng)典禮年度最受歡迎女歌手獎(jiǎng)。

2008年1月，獲得新浪網(wǎng)絡(luò)盛典年度內(nèi)地女歌手獎(jiǎng)；7月發(fā)行EP《臺(tái)北》。2009年1月發(fā)行EP《ShortStay北京》；4月憑借專輯《ShortStay臺(tái)北/沖繩》獲得第九屆音樂風(fēng)云榜年度盛典最佳EP專輯獎(jiǎng)；10月憑借電影《如夢(mèng)》獲得第46屆臺(tái)灣電影金馬獎(jiǎng)最佳女主角提名。

2010年，在《新京報(bào)》舉辦的“中國最美50人”評(píng)選中排名第29位 。2012年出演電影《大上�！罚�在片中飾演一代京劇名伶葉知秋。 2013年參演電影《掃毒》，劇中袁泉飾演阿秋的妻子。

2012年，出演電影《大上�！罚�在片中飾演一代京劇名伶葉知秋。

2013年，參演電影《掃毒》，在劇中飾演阿秋的妻子；同年，參演電影《澳門風(fēng)云2》，飾演小馬妻。

2014年，參演電影《心花路放》；同年，參演電影《黃金時(shí)代》 。

2016年4月27日，趙薇第二部導(dǎo)演作品《沒有別的愛》發(fā)布 “眼技派”版宣傳圖，首度曝光八位主演陣容：戴立忍、袁泉、陳沖、寧靜、俞飛鴻、齊溪、水原希子、韓紅亮相。同年，8月18日，參演的動(dòng)作電影《危城》上映；12月16日，參演的電影《羅曼蒂克消亡史》上映。 

2017年，參演由沈嚴(yán)執(zhí)導(dǎo)的都市情感劇《我的前半生》。

2018年1月1日，獲得2017年《國劇盛典》年度魅力風(fēng)云劇星獎(jiǎng)。1月18日，獲得2017微博之夜微博年度女神。2月，2018北京臺(tái)春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)，靳東攜手袁泉再續(xù)“半生緣”，深情演唱《當(dāng)愛已成往事》。同年，參演的電影《英格力士》上映。4月14日，出演電視劇《風(fēng)再起時(shí)》。5月12日，參加綜藝節(jié)目《朗讀者》第二季。5月24日，憑借《我的前半生》入圍第24屆上海電視節(jié)白玉蘭獎(jiǎng)最佳女主角。

1996年袁泉考入中央戲劇學(xué)院，與夏雨相識(shí)。1999年夏雨和袁泉正式交往。

2005年袁泉對(duì)媒體暗示和夏雨的感情走到瓶頸期。2006年9月一張夏雨和范冰冰親吻的照片在網(wǎng)上傳出，袁泉和夏雨之間的戀情遭遇了質(zhì)疑。2007年年初，袁泉和夏雨分手； 10月夏雨和袁泉共同出席16屆中國金雞百花電影節(jié)，并被記者拍到一同返回的照片，兩人復(fù)合。

2009年8月28日夏雨和袁泉登記結(jié)婚。

2010年3月31日，袁泉在北京順利分娩，產(chǎn)下一名女嬰。