汤唯出生于艺术世家，父亲汤余铭是知名画家，母亲施西凤年轻时也曾是演员。

虽然没有多少人看过这部《警花燕子》，但汤唯凭借该片获得了自己的第一项表演奖——2005年第6届数字电影百合奖优秀女演员。

2006年，汤唯迎来了可能是她职业生涯中最重要的作品——《色戒》。李安在台湾选女主角时说：“我的最佳女主角，是聪慧过人，气质古典高雅，有魔鬼身材水蛇腰，更要有演技，必须色、艺俱全。”最终他选择了当时还是新人的汤唯。

为了这个角色，汤唯进行了3个月的魔鬼训练，从各个细节还原张爱玲小说中人物的状态。最终凭借王佳芝这一角色一夜成名，蜚声国际。

《色戒》为汤唯带来的巨大声誉也伴随着巨大的争议。在李安的推荐下，汤唯远走英国短期学习。2008年底，汤唯通过香港政府的“优秀人才入境计划”获得香港居民身份。回归后的第一部作品是喜剧《月满轩尼诗》，凭借扮演一位香港新移民爱莲，汤唯获得金马奖金像奖最佳女主角双提名。

2010年，汤唯与玄彬共同主演了金泰勇执导的韩国文艺片《晚秋》，并凭借片中的精彩演出，在韩国影坛共获得了十项最佳女主角奖项，成为了韩国三大奖历史上第一位获得影后的外国女演员。

通过《晚秋》，汤唯和导演金泰勇结缘。2014年两人结婚，汤唯在韩国一直拥有超高人气，是韩国最受欢迎的华人女明星之一。

2014年，汤唯和吴秀波合作了爱情喜剧《北京遇上西雅图》，上演了一段拜金女与落魄大叔的浪漫异国恋情，票房累计5.2亿元，刷新了国产电影爱情片票房纪录。

同年，汤唯在许鞍华的电影《黄金时代》中了扮演民国传奇女作家萧红，并再度提名金像奖、金马奖最佳女主角。

之后汤唯出演了几部喜剧，还在一些电影中客串。

2016年，汤唯再度携手吴秀波出演《北京遇上西雅图之不二情书》，但本片和前作是完全不同的故事，同样获得了不错的票房成绩。