Hoàng Thùy Linh từng học múa 7 năm tại Cao đẳng nghệ thuật Hà Nội, khóa đào tạo diễn viên truyền hình của Hãng phim truyện Việt Nam. Cô từng là ca sĩ phụ trong nhóm hát Thiên Thần, người dẫn chương trình thiếu nhi Vui cùng Hugo của Đài Phát thanh - Truyền hình Hà Nội, tham gia một số bộ phim truyền hình dài tập, chương trình truyền hình tương tác, đóng phim quảng cáo.
Vai diễn điện ảnh đầu tiên gây ấn tượng của Hoàng Thùy Linh là Thùy (phim Đường đời, 25 tập, của đạo diễn Quốc Trọng). Sau đó, cô tham gia các bộ phim dài tập khác như Trò đùa của số phận (2005, 18 tập) của đạo diễn Huy Thuần, vai Lan trong Đi về phía mặt trời (2006, 29 tập) của đạo diễn Lưu Trọng Ninh.
Năm 2006, Hoàng Thùy Linh thi đỗ thủ khoa lớp Đạo diễn truyền hình - Đại học Sân khấu Điện ảnh.
Hoàng Thùy Linh lại được nhớ đến khi tham gia vai diễn Vàng Anh trong bộ phim sitcom dành cho tuổi teen "Nhật Ký Vàng Anh". Sau một thời gian dài ngừng ca hát, Hoàng Thùy Linh trở lại với dòng nhạc dance sôi động và những vũ điệu sexy, bốc lửa. Với phong cách mới, Hoàng Thùy Linh nhận được nhiều sự yêu mến và chú ý hơn trong âm nhạc.
