2002年，郭碧婷因参加一个在台北西门町举办的美少女选秀比赛而踏入娱乐圈。此后，郭碧婷主要担任《BEAUTY》、《RAY》等时尚杂志的平面模特，以及拍摄了众多的电视和平面广告，她也因此逐渐在台湾平面广告界崭露头角。
2003年，郭碧婷担任了陈奕迅《圣诞结》音乐录影带的女主角；之后，郭碧婷又相继担任了孙燕姿、萧敬腾、王力宏等华语歌手音乐录影带的女主角。
2004年，郭碧婷与五月天搭档拍摄了某金饰品牌广告，并担任了其《超人》MV的女主角；随后，郭碧婷又在五月天台北演唱会上与阿信携手演出了《相信》，这也使她赢得了颇高的曝光度。
2005年，郭碧婷出演了个人的第一部影视剧作品，她与蓝正龙、黄圣依合作主演了内地年代言情剧《金色年华》，郭碧婷在剧中饰演了敢爱敢恨并最终为爱香消玉殒的富家千金女许曼丽。
2007年，郭碧婷推出了个人的银幕处女作，她与张孝全搭档主演了纯爱推理电影《沉睡的青春》，并在片中饰演了孤独坚强又追求自由的美丽女孩徐青青。此后两年郭碧婷因没有接到适合的角色以及其它工作的需要而在戏剧方面有所沉寂。
2008年，郭碧婷接拍了《益达口香糖便利店》广告，她也因此得到了更高的询问度和人气，并获得了“益达女孩”的称号。
2009年，郭碧婷回归大银幕，她与杨佑宁、杨子珊合作主演了台湾首部宠物愈疗系电影《
街角的小王子》，并在片中饰演了清新脱俗却腼腆内向的美术系才女叶筱静。
2011年，郭碧婷开始进军内地影坛，并在青春励志片《
假如没有你》中饰演了美丽善良却身患绝症的女主角安楚儿。
2012年，郭碧婷出演了个人的第一个古装角色，她在内地古装武侠剧《新保镖之翡翠娃娃》中饰演了性格温婉又足智多谋的长风镖局大小姐程采玉；之后，郭碧婷还出演了励志微电影《枫树街33号》；同年10月，郭碧婷开始参与根据郭敬明同名小说改编并由他自编自导的《
小时代》系列电影的拍摄工作。
2013年，郭碧婷随小时代剧组参加了湖南卫视综艺节目《快乐大本营》，并因其在节目中的本色表现而在此后一段时间的各大热搜榜和sns社会化媒体搜索量上位居榜首，同时也使她获得了“妹花女神”的称号；随后，郭碧婷与杨幂、郭采洁、谢依霖等艺人联袂主演的都市青春片《小时代》、《
小时代2：青木时代》相继上映，郭碧婷在片中饰演了美艳绝伦且才华横溢却又命运多舛的南湘，两部影片上映后则取得了接近八亿人民币的票房成绩，郭碧婷个人也凭借此角色获得了BQ江南红人榜年度电影新演员、乐视盛典年度电影新锐女演员两项荣誉，并赢得了更多内地观众的关注与喜爱；同年，郭碧婷还与段奕宏、戴立忍、谢楠共同主演了内地首部3D爱情电影《
爱情进化论》，并在片中饰演了可爱勇敢的女主角安安；此外，郭碧婷还获得了首届明星街拍盛典年度最佳街拍形象奖。
2014年，郭碧婷除了继续在郭敬明执导的都市青春片《
小时代3：刺金时代》、《
小时代4：灵魂尽头》中出演南湘之外；她还与郭采洁、杨佑宁、胡宇崴联袂主演了年代摩登爱情片《
对风说爱你》，并在片饰演了因时代动荡而漂泊异乡的钢琴教师邱香，而此片则入围了第18届上海国际电影节金爵奖主竞赛单元；随后，郭碧婷还主演了电影版《
咱们结婚吧》，而她在片中则饰演了文艺气息十足却对爱情充满纠结的小提琴手文艺，并与李晨演绎了一段有几分跳脱意味的异国爱情故事，而此片在上映后则取得了2.84亿人民币的票房成绩；此外，郭碧婷还在与李敏镐搭档主演的爱情微剧《一线钟情》中饰演了温柔可人的女主角玲玲；同年年底，郭碧婷还被台湾媒体评选为十大新“国民女神”第四名，同时她也是评选中唯一人选的台湾艺人。
2015年，郭碧婷与金世佳搭档主演了都市时尚宠物剧《神犬小七》，并在剧中本色饰演了外冷内热且对动物充满爱心的女主角丁涵，而此剧在播出后则取得了全国暑期黄金档电视剧收视第一，郭碧婷个人也凭借在剧中的不俗表现赢得了众多电视观众的认可；同年7月，郭碧婷开始参加东方卫视制作的明星跨界时尚真人秀节目《女神新装》；随后，她则与设计师李薇搭档在十期常规赛中七次获得单期冠军。
