1999年的某一天，在街上闲逛的她被服装公司的制作人发现后，裴斗娜从平面模特儿，到拍摄电视广告、演出戏剧及主持广播节目。而且早在裴斗娜出道初期，还是服装目录的专属模特时，即被导演王家卫看中，力邀裴斗娜到香港演艺圈发展，可惜她以时机不成熟为由而婉拒了。同年，裴斗娜被KBS电视台选定出演了第一部电视剧《学校》，获得了新秀奖
2000年，出演奉俊昊执导的喜剧《绑架门口狗》，获得了韩国”青龙奖”最佳新人女演员奖。
2001年，出演了由郑在恩执导的新新人类生活的电影《猫咪少女》，饰演一个和周围人格格不入的可爱梦想家，获得了韩国最佳女性电影人大奖最佳演技奖、第21届韩国影评人协会奖最佳女演员奖和第38届百想艺术大奖最佳女演员奖等。同年，主演伦理片《青春》，大胆露点和金来沅演激情床戏，该片讲述了一个关于青春的体验和性的迷茫之间的故事。
2002年，主演动作惊悚片《地铁危机》，扮演一个在地铁站以扒窃别人身上财物为生的小偷，该片以汉城地下铁作故事背景。同年，出演由朴赞郁执导的犯罪片《我要复仇》中，饰演一个迫于极端的困境而伤害自己恋人的女孩。
2003年，主演爱情喜剧《恋恋春熊》，剧中裴斗娜穿上校服，与男主角展开一段纯纯的校园恋情。
2005年，参演了由李大荣执导的《加油！金顺》，扮演一个独立坚强的家庭主妇，而且还是第一次出演年轻妈咪的形象；同年，作为特邀演员，加盟了日本影业公司投拍的青春校园片《琳达琳达》，以27岁的年纪出演高中生，该片的导演为山下敦弘。
2006年，出演影片《汉江怪物》，扮演射击运动员南珠，在剧中裴斗娜花了三个月的时间练习射箭技术，所有射箭场面她都亲历亲为，亲身上阵，获得了本届韩国电影青龙奖的“最佳女配角”提名。同年，裴斗娜接演了爱情剧《突然某一天》，扮演在日本的侨胞女漫画家山口花。
2009年，裴斗娜与ARATA、板尾创路主演了由是枝裕和执导的爱情科幻片《空气人偶》，饰演充气娃娃，该片改编自业田良家的漫画，获得日本奥斯卡优秀女主演奖。同年，裴斗娜出版了在伦敦亲自拍摄的相片和旅行所感在内的旅行摄影集《娜的伦敦之行》。
2010年，与金秀路主演了由柳贤基执导喜剧《学习之神》，饰演英语老师韩秀晶。
2012年，裴斗娜与汤姆·汉克斯、哈莉·贝瑞、休·格兰特出演了改编自大卫·米切尔的同名畅销小说的科幻片《云图》，饰演两个角色，分别是2144年首尔的克隆人和19世纪的美国人，影片讲述了从19世纪太平洋开始到文明毁灭后的未来世界里，各时代和场景下的6个故事。
2012年，与河智苑主演《朝韩梦之队》，饰演朝鲜选手，该片讲述了韩国与朝鲜的国家代表经历46日，由对立、矛盾的立场逐渐成为“Korea”团队的辛酸感人故事。
2016年，参演科幻剧集《超感猎杀第二季》。主演的电影《隧道》8月上映。
2017年，出演电影《毒品之王》。主演tvN周六周日剧《秘密森林》。出演电视剧《王国》。
2018年10月，与车太铉共同主演KBS月火剧《最完美的离婚》，饰演随性生活的妻子姜辉璐。
裴斗娜的父亲担任韩国大型健康食品公司的副社长，公司的营业额一年约人民币70亿。裴斗娜还有位曾是舞台剧女演员的妈妈，妈妈金英花系出名门，大学毕业于千金名门学府梨花大学，34岁才开始出道成为舞台剧女演员。
2002年，裴斗娜在拍摄《我要复仇》时，与男主角申河均弄假成真，这也是裴斗娜的初恋。2004年，由于裴斗娜与申河均都忙于工作，聚少离多而画上句号。
韩国电影大钟奖
韩国青龙电影奖
韩国百想艺术大赏
亚洲电影大奖
春史电影节
韩国电影评论家协会奖
其他奖项
裴斗娜出道后显露出与其他新人不同的特质，在摄像机面前她一点都不紧张，表演真实、自然、毫不夸张，她沉静、特立独行，电影作品类型多样，勇于突破和挑战自己的戏路，甚至一些裸露场面也毫不避讳，而且说话直截了当、性格活泼开朗，加上古灵精怪的个性和令人琢磨不定的接片原则。
