서영희는 동국대학교를 졸업한 후 한동안 미술을 공부했다가 다시 연극부로 돌아와 배우가 됐다.
1999년 김민기 드라마 '모기'로 데뷔했다.
2003년 박해일, 배용준과 함께 로맨스 영화 '질투는 나의 힘'에 출연했다. 같은 해 로맨스 영화 '사랑에 의지가 있다면'에 출연해 순진하고 엉뚱한 소녀 역을 맡아 손예진 옆에 섰다.
서영희는 2005년 코미디 영화 '마포도'에 출연했다. 같은 해 여섯 개의 사랑을 주제로 한 로맨스 영화 '내 생애 가장 아름다운 일주일'에 출연했다.
2006년에는 Yam Taixiong 감독의 공포 영화 '선생님의 부탁'에서 Wu Meixi와 함께 주연을 맡아 Zhenyuan Meizi 역을 맡았습니다. 선생님에게 복수했지만 또 다른 위험한 이야기를 접한 선생님들. 같은 해 장편영화 '오다오리'에서 박인환과 함께 주연을 맡았다.
2007년 1월 김남진, 이지현과 함께 '신인어이야기'에 출연했다. 같은 해 정하이롱 감독의 가족 코미디 '며느리 전성기'에 출연했다.
서영희는 2008년 2월 나홍진 감독의 범죄 스릴러 영화 '추격자'에서 김윤석, 하정우와 함께 김메이진 역을 맡아 우승을 차지했다. 제12회 부천국제영화제 여우주연상을 수상한 한국 살인범 유영철의 실화를 바탕으로 한 작품이다. 지난 10월 코미디 영화 '그분이 온다'에 출연해 칸 여왕 '이영희' 역을 맡았다.
서영희는 2009년 5월 김근홍, 박홍균 공동 연출의 월화드라마 '착덕여왕'에 출연했다. 11월에는 코미디 '청담보살'에 출연했다.
2010년 9월, 장철수 감독의 스릴러 영화 '김푼안 살인사건'에 서영희가 주연을 맡았다. 서영희는 부천국제판타스틱영화제, 판타스틱페스트영화제, 영화평론가상, 대한민국 영화대상, 감독컷상 등 6개 부문 여우주연상을 잇달아 수상했다. 같은 해 민규동 감독의 가족영화 '세상에서 가장 아름다운 이별'에 김갑수, 배충옥과 함께 주연을 맡아 따뜻함과 감동이 가득한 가족 사랑을 그려냈다. 영화는 한국 작가 노희경의 동명 원작과 TV 시리즈를 각색했다.
2011년에는 코미디 '조지와 봉식'에 출연했다. 같은 해 김영수와 함께 배효민 감독의 장편영화 '삼례여고 축구부'에 주연을 맡았다.
서영희는 2012년 김석훈, 조성하와 함께 서스펜스 스릴러 '슬픈 도시'에 출연했다.
2013년 김기덕 감독이 제작한 영화 '배우는 배우다'에서 이준과 함께 주연을 맡아 인기 여자스타 오연희 역을 맡았다. 미친듯이 유명해지고 싶어 하루아침에 유명해졌으나 인기가 바닥을 치는 이야기.
서영희는 2014년 신수원 감독의 '성모'에 합류해 여린 외모 뒤에 아픈 과거를 숨긴 VIP 병동 보조 간호사 해린 역을 맡았다.