一九九九年，裴斗娜在一次寻常的街头漫步中，意外地被一家服装公司的制作人发现，由此开启了她的演艺生涯。她最初以平面模特的身份进入公众视野，随后逐步涉足电视广告的拍摄、戏剧演出以及广播节目的主持工作，展现了多方面的才华。事实上，在她出道之初，还只是服装杂志的专属模特期间，就曾引起著名导演王家卫的注意。王家卫导演十分赏识她的气质与潜力，并向她发出了诚挚的邀请，希望她能前往香港演艺圈寻求更广阔的发展空间。然而，经过慎重考虑，裴斗娜认为自己当时的准备尚不充分，演艺根基也需进一步巩固，最终以时机尚未成熟为由，婉转而坚定地谢绝了这次难得的机会。
裴斗娜的演艺事业起步于1999年，当时她被KBS电视台选中出演其首部电视剧《学校》，并凭借在此剧中的表现赢得了新秀奖项，由此正式开启了她的演员生涯。进入2000年，她迎来了职业生涯的一个重要转折点，主演了由奉俊昊导演执导的喜剧电影《绑架门口狗》，其出色的演绎为她赢得了韩国电影青龙奖最佳新人女演员的荣誉。次年，裴斗娜在郑在恩导演的青春题材影片《猫咪少女》中，成功塑造了与周围环境格格不入却又充满可爱幻想的角色“太熙”，凭借这一角色，她接连斩获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以及第38届百想艺术大奖最佳女演员奖等多个重要奖项；同年，她还与演员金来沅联袂主演了爱情伦理片《青春》，在片中饰演了一位性格单纯直率、敢于追求爱情也勇于表达恨意的护士“珍妮”，并为角色进行了大胆的演出。 2002年，裴斗娜挑战了动作惊悚类型片《地铁危机》，她所饰演的“仁静”是一个在地铁站中以扒窃为生的小偷，这部电影的故事背景设定在汉城的地下铁系统之中；同年，她出演了由著名导演朴赞郁执导的犯罪电影《我要复仇》，在片中诠释了一个因陷入极端困境而不得不伤害自己恋人的复杂女性角色。到了2003年，她主演了一部爱情喜剧片《恋恋春熊》，在剧中穿上校服，与男主角共同演绎了一段青涩而纯真的校园恋爱故事。2005年，裴斗娜参演了由李大荣导演执导的《加油！金顺》，首次尝试扮演一位独立坚强的年轻母亲形象；同年，她受邀加盟日本影业公司投资、山下敦弘导演的青春校园电影《琳达琳达》，以27岁的年龄出演一名高中生，饰演了高校乐队主唱、来自韩国的留学生“宋”这一角色。 2006年对裴斗娜而言是充满突破的一年，她与资深演员宋康昊合作主演了科幻电影《汉江怪物》，扮演男主角的妹妹、一名射击运动员“南珠”，并因此片获得了韩国电影青龙奖最佳女配角的提名。为了精准塑造这个角色，她投入了长达三个月的时间刻苦练习射箭技术，影片中所有的射箭镜头均由她亲自完成；同年，她还主演了OCN电视台的爱情剧集《有一天》，饰演一位在日本生活的侨胞女漫画家“山口花”。2007年，她主演了SBS电视台的电视剧《遇见完美邻居的方法》，扮演了过着平凡生活但为人亲切热情的J建设公司秘书郑允熙。2009年，裴斗娜与国际团队合作，与ARATA、板尾创路共同主演了由是枝裕和导演执导的、改编自漫画的爱情科幻片《空气人偶》，在片中饰演一个没有思想但外形可爱的充气娃娃，此次演出为她赢得了日本电影学院奖（又称日本奥斯卡）优秀女主演奖的提名；同年，她还展现了自己在摄影方面的才华，出版了收录其在伦敦亲自拍摄的照片及旅行感想的摄影集《娜的伦敦之行》。 2010年，裴斗娜与金秀路合作，主演了由柳贤基导演执导的KBS喜剧《学习之神》，饰演英语老师“韩秀晶”。2012年，她的演艺事业迈向国际舞台，与汤姆·汉克斯、哈莉·贝瑞、休·格兰特等国际影星共同出演了改编自大卫·米切尔同名畅销小说的科幻巨制《云图》，首次挑战一人分饰两角，分别演绎了2144年首尔的克隆人角色和19世纪的美国女性角色，这部影片通过六个跨越不同时代和地域的故事，展现了从19世纪太平洋到文明毁灭后未来的宏大叙事；同年5月，她与河智苑合作主演了体育励志电影《朝韩梦之队》，饰演朝鲜女子乒乓球队选手“李粉姬”，该片讲述了韩朝两国代表队在46天的共同训练中，从对立矛盾逐渐融合成为“Korea”团队的感人历程。 2014年5月，裴斗娜主演了剧情片《道熙呀》，在片中饰演一位在偏远海港小镇工作的派出所所长李英男，凭借这一内敛而富有张力的表演，她相继获得了第9届亚洲电影大奖最佳女演员奖、第20届春史电影节最佳女主角奖以及第23届中国金鸡百花电影节最受观众喜爱的外国女演员奖。2015年2月，她主演了美国科幻电影《木星上行》，饰演角色Razo，这也是她继科幻片《云图》之后，再度与沃卓斯基姐弟导演合作；同年6月，她主演了美国科幻剧集《超感猎杀》，饰演一位精通各种格斗术的企业副总裁，为了维护家族声誉而替亏空公款的弟弟顶罪入狱，角色名为“善Sun”。2016年，她继续主演了该科幻剧集的续作《超感猎杀第二季》；同年8月10日，她与河正宇合作主演的灾难电影《隧道》上映，在片中饰演男主角李正洙的妻子“世贤”。 2017年6月，裴斗娜与曹承佑合作，主演了tvN出品的犯罪悬疑剧集《秘密森林》，饰演一位充满正义感的女警察“韩汝真”。2018年10月，她与车太铉合作主演了KBS月火剧《最完美的离婚》，饰演一位生活随性、性格鲜明的妻子“姜辉璐”；同年12月，她再次与宋康昊合作主演的犯罪电影《麻药王》上映，在片中饰演美艳且颇具手段的说客“金静雅”。2019年1月，裴斗娜与朱智勋合作主演了Netflix出品的古装僵尸惊悚剧《王国》，饰演在瘟疫蔓延的古代协助世子调查疫情真相的医女“徐菲”。2020年3月，她继续主演了该剧的第二季《王国第二季》；同年8月，她与曹承佑再度携手主演的电视剧《秘密森林2》在tvN播出。9月8日，Netflix原创韩剧《寂静的大海》公布了剧本围读现场照片，确认裴斗娜等演员将主演该剧。2021年12月24日，由她主演的剧集《寂静的大海》在Netflix平台上线。 2022年4月11日，据韩联社报道，裴斗娜主演的电影《中间人》定于同年6月在韩国上映；6月，她参演的另一部电影《掮客》也如期上映。2023年3月，裴斗娜与Goodman Story经纪公司签订了专属合约；12月22日，她主演的奇幻冒险电影《反叛之月》正式上线。进入2024年，她参演的电影《烙印之人》于4月19日在Netflix播出；同年11月29日，她参演的另一部电影《家族计划》也与观众见面。展望未来，根据已公布的计划，裴斗娜主演的电影《病毒》将于2025年5月7日播出。此外，2026年1月28日，官方正式宣布裴斗娜将担任第76届柏林国际电影节主竞赛单元的评审团成员，这标志着其专业成就获得了国际影坛的高度认可。
裴斗娜的父亲在韩国一家规模庞大的健康食品企业担任副社长的重要职务，该公司年度营业额高达约七十亿元人民币，在行业内具有显著的影响力。裴斗娜的母亲金英花女士同样出身不凡，她来自一个声望卓著的家庭，早年毕业于被誉为千金名门学府的梨花女子大学，接受了优质的高等教育。金英花女士在三十四岁时才正式开启她的艺术生涯，成为一名活跃于舞台的戏剧演员，其人生经历展现了一段从学术殿堂转向艺术领域的独特轨迹。
在2002年，裴斗娜因参与拍摄《我要复仇》而与同剧的男主角申河均相识，两人在合作过程中逐渐从戏内的默契发展为戏外的真情，这段因戏结缘的感情也成为了裴斗娜人生中珍贵的初恋经历。然而到了2004年，由于双方各自的工作日程日益繁忙，两人经常处于分隔两地的状态，相聚的时间越来越少，最终这段关系因难以维持而遗憾地画上了句号。
自出道之初，裴斗娜便展现出与同期新人迥然相异的独特气质，面对摄像机镜头时，她毫无寻常新人的紧张与生涩，表演状态始终真实自然、毫无夸张造作之感。她性格沉静，却又不乏特立独行的个人风格，在电影作品的选择上类型极为多样，始终勇于突破自我框架并不断挑战各异的戏路，即便面对一些需要裸露的场面也毫不避讳，展现出专业而坦荡的态度。在美女如云的韩国影视圈内，走“另类”路线的裴斗娜或许并非传统意义上的典型美女，但她那宛如顽童般灵动鲜活的面容，以及说话直截了当、不绕弯子的鲜明风格，反而在众多女星中凸显出她独有的辨识度与魅力。她那古灵精怪的个性与令人难以琢磨的接片原则，使得裴斗娜与那些外貌风格看似相近的韩国女演员们形成了鲜明对比。尽管她并未主演过大量票房热卖的商业大作，外形也非标准的美女类型，但众多品质出众的优秀电影剧本却总能源源不断地向她递来，这正印证了她在业界备受认可的专业能力与独特韵味。她也因此成为朴赞郁、奉俊昊、金知云等众多知名导演最为青睐并反复合作的女演员之一。