袁泉出生于湖北省荆州市，11岁时考入中国戏曲学院附属中等戏曲学校，开始了7年的京剧表演学习。1996年考入中央戏剧学院，和同届的章子怡、梅婷、胡静、曾黎、张彤、秦海璐并称“七朵金花”。

1999年参演首部电影《春天的狂想》，凭周小玫一角获第19届中国电影金鸡奖最佳女配角奖 ，从此进入娱乐圈；2021年主演电影《中国医生》，凭该片获东京电影节金鹤奖最佳女主角 、第36届大众电影百花奖最佳女主角等。