Figlia di una famosa attrice coreana, Kim Hwa-young, Bae seguiva spesso le prove teatrali della madre, imparando anche a recitare, ma nonostante ciò non fece subito di tale possibilità una professione: "La gente potrebbe affermare che sono diventata un'attrice grazie a mia madre. Probabilmente quelle esperienze hanno sortito l'effetto opposto: ho visto molti grandi attori lavorare con lei e ho pensato che questo fosse un lavoro solo per persone dotate di uno straordinario talento"
Nel 1998, mentre frequenta la Hanyang University, venne notata da un importante agente mentre camminava per le strade di Seul: venne scelta come modella per Cooldog's, un'azienda di abbigliamento su cataloghi. Nel 1999 partecipa, debuttando alla KBS, nel TV dramaSchool. Nello stesso anno appare nel film The Ring Virus, un remake coreano del film giapponese Ring. Sempre nel 1999 Bae, che nel tempo libero si dedica alla fotografia,[2] viene premiata come attrice più popolare della KBC.
Nel 2000 il regista Bong Joon-ho la sceglie per il film Barking Dogs Never Bite, nella quale recita anche nuda. Nel 2001 ottiene una parte nella pellicola Take Care of My Cat, film diretto da Jeong Jae-eun, e nel 2002 in Mr. Vendetta, diretto da Park Chan-wook. Nel 2003 recita anche in Tube e in Spring Bears Love. Dopo questi film decide di prendersi una pausa. Nel 2004 ha lavorato come attrice teatrale, per la produzione di Sunday Seoul[3] in co-produzione con Park Chan-wook. Nel 2005 Bae appare in un film giapponese, Linda Linda Linda, e nel 2006 lavora di nuovo con Bong Joon-ho in The Host.
La sua carriera continua e prende finalmente il volo grazie a Cloud Atlas, un film del 2012 scritto e diretto dalle sorelle Lana e Lilly Wachowski e Tom Tykwer. Tratto dal romanzo L'atlante delle nuvole di David Mitchell, è un film di fantascienza, in cui interpreta "l'artificio" Sonmi~451. Dal 2015 è una dei protagonisti della serie NetflixSense8, dove interpreta il ruolo di una donna d'affari di Seul esperta di arti marziali, Sun Bak.
