Considerata una delle donne più belle della Corea, Song debutta nel mondo dello spettacolo nel 1996 quando interpreta il suo primo dramma, Merry Morning, ai tempo della scuola media. Da allora, continua a recitare in sitcom e drammi, finchè nel 2000 gira Autumn in my Heart con Song Seung-hun e Bin Won e diventa famosa in tutta l'Asia.
Nel 2003 la sua popolarità continua a salire quando interprata un ruolo di primo piano al fianco di Lee Byung-hun nel dramma All In e poi nella serie romantica Full House. Debutta sul grande schermo con My Girl and I (adattamento coreano di Crying Out Love in the Center of the World), stroncato da pubblico e critica.
Torna a recitare nel 2007 nell'adattamento cinematografico di Hwang Jin Yi, per poi fare il suo debutto nel cinema indie americano con il thriller psicologico Make Yourself at Home. Lavora poi per la televisione (che le dà la popolarità) e infine dopo diversi anni interpreta quello che considera il "punto di svolta" della sua vita, il film A Reason to Live (2011) di Lee Jeong-hyang, storia di amicizia e conflitto tra una giovane donna che perde il fidanzato e una ragazza vittima di abusi da parte dei genitori. Nel 2012 prende parte al film di Wong Kar Wai, The Grandmaster, ispirato alla biografia di Ip Man, il maestro di arti marziali che allenò l'adolescente Bruce Lee.