早年经历
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。
演艺经历
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，出演奉俊昊执导的喜剧《绑架门口狗》，获得了韩国”青龙奖”最佳新人女演员奖。
2001年，出演了由郑在恩执导的新新人类生活的电影《猫咪少女》，饰演一个和周围人格格不入的可爱梦想家，获得了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，主演伦理片《青春》，大胆露点和金来沅演激情床戏，该片讲述了一个关于青春的体验和性的迷茫之间的故事。
2002年，主演动作惊悚片《地铁危机》，扮演一个在地铁站以扒窃别人身上财物为生的小偷，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》中，饰演一个迫于极端的困境而伤害自己恋人的女孩。
2003年，主演爱情喜剧《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，参演了由李大荣执导的《加油!金顺》，扮演一个独立坚强的家庭主妇，而且还是第一次出演年轻妈咪的形象;同年，作为特邀演员，加盟了日本影业公司投拍的青春校园片《琳达琳达》，以27岁的年纪出演高中生，该片的导演为山下敦弘。
2006年，出演影片《汉江怪物》，扮演射击运动员南珠，在剧中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历亲为，亲身上阵，获得了本届韩国电影青龙奖的“最佳女配角”提名。同年，裴斗娜接演了爱情剧《突然某一天》，扮演在日本的侨胞女漫画家山口花。
2009年，裴斗娜与ARATA、板尾创路主演了由是枝裕和执导的爱情科幻片《空气人偶》，饰演充气娃娃，该片改编自业田良家的漫画，获得日本奥斯卡优秀女主演奖。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，与金秀路主演了由柳贤基执导喜剧《学习之神》，饰演英语老师韩秀晶。
2012年，裴斗娜与汤姆·汉克斯、哈莉·贝瑞、休·格兰特出演了改编自大卫·米切尔的同名畅销小说的科幻片《云图》，饰演两个角色，分别是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。
2013年，与河智苑主演《朝韩梦之队》，饰演朝鲜选手，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。
2016年，参演科幻剧集《超感猎杀第二季》 。主演的电影《隧道》8月上映[1]。
2017年，主演tvN周六周日剧《秘密之森》。10月，裴斗娜确定出演著名编剧金恩熙与Netflix携手打造的电视剧《王国》。2018年6月8日，主演的电视剧《超感猎杀》完结篇上线。10月8日，参演的电视剧《最完美的离婚》在韩国KBS2播出。12月19日，主演的电影《毒品之王》在韩国上映。12月31日，凭借《最完美的离婚》获2018KBS演技大赏最佳CP奖。
2019年1月25日，参演的电视剧《李尸朝鲜》播出。4月5日，参演的电影《女孩，四绎》上映。
2020年3月13日，主演的电视剧《王国 第二季》在Netflix播出，在剧中饰演徐菲。4月，参演Netflix电视剧《寂静的大海》，在剧中饰演宋智安。8月15日，主演的电视剧《秘密森林2》定档在韩国tvN电视台播出，在剧中饰演韩汝珍。同年，参演电影《经纪人》。
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