关颖以广告模特身份出道演艺圈，拍摄过多支平面以及电视广告。

2002年，关颖出演了个人的首部影视作品，在与武田真治、张毓晨、张孝全搭档主演的电影《给我一只猫》中饰演了女主角养乐多；同年，关颖还出演了电影《小雨之歌》。

2003年，关颖先是与陈怡蓉、陈司翰合作主演了爱情偶像剧《又见橘花香》，剧中关颖饰演女配角骆心蕾；之后又与胡歌、孙莉、袁弘合作出演了都市爱情剧《蒲公英》，关颖在剧中饰演了两姐妹中的姐姐夏雪；同年，关颖还与金城武、梁咏琪合作出演了由几米同名漫画改编的电影《向左走、向右走》，并在片中饰演了女配角小红，关颖也凭借此角色获得了第40届台湾电影金马奖最佳女配角提名。

2004年，关颖在与王心凌、立威廉、明道合作出演的浪漫爱情剧《天国的嫁衣》中饰演了美丽自信的超级名模Katrina；同年，关颖又与李威、欧燕萍搭档主演了爱情偶像剧《吐司男之吻II爱情本事》 ；此外，关颖还与应采儿、品冠、杨丞琳共同出演了都市言情剧《候鸟e人》 。

2005年，关颖在与张毓晨搭档主演的惊悚电影《宅变》中饰演了女主角徐筱佑；同年，关颖还在与郭品超。洪金宝共同主演的动作偶像剧《偷天换日》中饰演了女主角余慕缇。因台湾拍戏环境问题，此后的一年半时间关颖没有出演任何影视作品。

2007年，关颖回归演艺圈，先是与何润东、余男、彭于晏搭档主演了爱情喜剧《基因决定我爱你》；之后又与蓝正龙、阮经天共同主演了科幻悬疑片《神选者》；同年，关颖还在与陈怡蓉、戴立忍合作主演的惊悚片《凶魅》中饰演了一位有着家暴阴影的妈妈；此外，关颖还参演了根据同名日本漫画改编的动作电影《军鸡》。

2008年，关颖在与周渝民、朱孝天合作主演的浪漫偶像剧《这里发现爱》中饰演了气质美人陆怡。

2009年，关颖先是与吴镇宇、戴立忍合作主演了电影《钮扣人》；之后关颖又在与张孝全搭档主演的剧情片《泪王子》中饰演了女主角欧阳千君，本片也入围了第66届威尼斯电影节主竞赛单元；同年，关颖还在与言承旭搭档主演的浪漫爱情剧《心星的泪光》中饰演了善良开朗的女主角董小鹿；此外，关颖还客串出演了由周杰伦执导的科幻偶像剧《熊猫人》。

2010年，关颖与戴立忍、郝蕾共同出演了剧情片《第四张画》；同年7月，关颖还发行了个人的首张音乐专辑《关不住的秘密》。

2012年，关颖继续在电影领域发展，先是与吴镇宇、乔任梁、钟丽缇共同出演了喜剧片《请叫我英雄》；之后又与赵又廷、黄渤、杨颖合作主演了动作警匪片《痞子英雄之全面开战》。

2013年，关颖与章子怡、王力宏、林心如共同出演了爱情喜剧片《非常幸运》。

2014年，关颖与赵又廷、林更新、张钧甯合作出演了婚后的首部电影作品《痞子英雄之黎明升起》。