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.

Năm 2007, do có "gương mặt xinh xắn và vốn diễn 'kha khá' trong điện ảnh", Hoàng Thùy Linh được chọn vài vai chính Vàng Anh trong phần 2 chương trình truyền hình tương tác Nhật ký Vàng Anh vốn được nhiều người trong giới trẻ hâm mộ