关晓彤出生于北京市的一个艺术世家，祖父关学曾是北京琴书大师，父亲关少曾是影视演员，由于家庭文化的熏陶，她从小也热爱艺术 ，喜欢舞蹈和钢琴。4岁半的时候，关晓彤和父亲关少曾一起拍戏，自此出道。因在陈凯歌导演的电影《无极》中饰演“小倾城”而成名。

2003年出演霍建起导演的电影《暖》上映，该片获2003年度中国电影金鸡奖，日本东京国际电影节金麒麟奖。2004年，主演电影《电影往事》获中国电影金鸡奖最佳音乐奖，同年，她的另一部作品《惊心动魄》获大学生电影节评委会奖。2005年，在陈凯歌导演的电影《无极》中饰演“小倾城”。2009年，参演周杰伦电影《刺陵》。

2014年，与王志文、李小冉等主演的《大丈夫》首播。同年与张嘉译、闫妮主演的《一仆二主》首播，并在国剧盛典获得观众喜爱的新人女演员奖。2015年，主演苏有朋导演的电影《左耳》上映 ；同年，与演员杨玏、俞飞鸿等主演的《小丈夫》首播，这是继《大丈夫》后的再度合作。2016年，主演的电视剧《好先生》将于5月31日登陆浙江卫视播出。