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、傅晶、秦海璐并称“七朵金花”。
1999年,参演首部电影《春天的狂想》,凭借饰演的周小玫一角获得第19届中国电影金鸡奖最佳女配角奖;同年,出演首部话剧《梁祝》。
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》。
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,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》。
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。
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。主演电影《中国机长》,取材川航备降事件。
2019年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,主演徐峥执导电影《囧妈》。
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,一张夏雨和范冰冰亲吻的照片在网上传出,袁泉和夏雨之间的恋情遭遇了质疑。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”。
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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。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。
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。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。