Popularitas mulai didapatkan ketika ia berperan sebagai wanita yang mudah tertipu dan romantis lewat drama Five Enough yang tayang pada tahun 2017.
Pada tahun yang sama, ia menjadi cameo dalam drama Korea populer bergenre fantasi-romantis yakni The Legend of the Blue Sea.
Ia juga membintangi film misteri thriller berjudul 'A Day', kemudian menjadi tokoh kunci dalam serial thriller kriminal ternama yakni Stranger.
Di tahun 2018, Shin Hye Sun berperan sebagai pemeran utama dalam drama spesial 'Hymn of Death' bersama Lee Jong Suk.
Ia membintangi drama komedi romantis Still 17 bersama Yang Se-jong di tahun yang sama dan berperan sebagai calon pemain biola yang hidupnya berubah drastis karena kecelakaan.
Lalu di tahun 2019 membintangi drama roman fantasi bersama Kim Myung-soo berjudul Angel's Last Mission: Love.
Popularitasnya semakin naik usai memainkan peran utama dalam film hukum berjudul Innocence sebagai pengacara yang memutuskan membela ibunya dari tuntutan hukum.
Ulasan positif di film tersebut membuat Shin Hye Sun dinominasikan dalam kategori Aktris Baru Terbaru di ajang Blue Dragon Film Awards ke-41.
Shin Hye Sun semakin menunjukkan pesonanya lewat drama kolosal yang populer di tahun 2020 berjudul 'Mr. Queen'.
Karakter Kim So-yong serta Jang Bong-hwan membuatnya dinominasikan dalam kategori aktris terbaik di Baeksang Art Awards ke -51.
Drama populer lainnya yang dibintangi oleh Shin Hye Sun adalah See You in My 19th Life dan Welcomce to Samdal-ri.
