2013년 KBS 드라마 《TV소설 삼생이》를 통해 배우로 정식 데뷔 후, OCN 드라마 《나쁜 녀석들》, 웹 드라마 《전지적 짝사랑 시점》, 영화 《살인자의 기억법》, 단편 영화 《학교 가기 싫은 날》 등을 포함해 약 50여 편의 작품에 출연하며 주로 단역 위주로 연기 경력을 쌓았다. 2018년 말부터 2019년 초까지 인기리에 방영한 JTBC 드라마 《SKY 캐슬》 오디션에 200 대 1의 경쟁률을 뚫고 합격한 그녀는 자신의 배역인 강예서 역을 완벽하게 소화하며 대중에게 존재감을 각인시켜 데뷔이후 인지도가 가장 크게 급상승하였고 이 작품으로 백상예술대상 TV부문 여자 신인 연기상을 받았다. 이후 2019년 MBC 드라마 《어쩌다 발견한 하루》의 주인공 은단오 역에 캐스팅되어 독특한 세계관 속 1인 3역의 캐릭터를 설득력 있게 그려내 폭넓은 연기 스펙트럼을 입증하며 데뷔 후 첫 주연작을 성공적으로 이끌었다. 또한 2022년 개봉한 독립 영화 《불도저에 탄 소녀》 의 주인공 혜영 역으로 영화 첫 주연을 맡았다.
2016년 '더좋은이엔티'에서 개최한 신인배우 오디션에 지원하여 최종 10인까지 올라가기도 했다.
좌우명은 "익숙함에 속아 소중함을 잃지 말자"라고 한다.
드라마 '도깨비'에서 이산가족 아내의 젊은 시절을 연기할 때 선보인 문화어를 구사하는 연기는 유튜브에서 북한말 영상을 찾아보며 준비했다고 한다.
'SKY 캐슬'에 출연하기 전 강예서와 김혜나 두 캐릭터 모두 오디션을 봤다고 한다. 강예서 역에 캐스팅 합격 소식을 들었을 때도, 오디션에 붙어도 역할이 바뀌는 경우가 많기 때문에 본인은 슛 들어가기 전까지 실감이 나지 않았다고 한다.
'SKY 캐슬' 제작진이 나중에 밝힌 내용에 따르면, 탁월한 캐릭터 몰입도를 보여준 김혜윤을 강예서로 결정하고, 김혜윤을 중심으로 비슷한 연령대로 아역 배우들을 섭외했다고 한다. 참고로 이 드라마는 조현탁 감독의 지시에 따라 캐스팅 디렉터 없이 신인을 상대로 오디션을 진행하고 무기명 투표로 의견을 취합해 캐스팅을 완료 하였다.
캐스팅 러브콜을 받아서 오디션 없이 바로 들어가게 된 첫 작품이 첫 주연작인 '어쩌다 발견한 하루'이다. 김혜윤은 처음엔 '여주다 역'의 후보로 캐스팅 되어 김상협PD와 미팅을 가졌는데, 김PD가 김혜윤을 보면 볼수록 은단오와 맞아떨어지는 것 같아서 은단오로 캐스팅했다고 한다.
'SKY 캐슬'에 함께 출연한 배우 김동희는 대본 리딩 때 김혜윤을 처음 보고 쉬는 시간에 "저 분 진짜 잘한다. 누구지? 왜 이렇게 잘하지? 미쳤다. 너무 잘한다."라고 감탄을 했었다고 한다.
극 중 모녀 사이인 염정아와는 배우 김윤석의 연출작 '미성년'에서 만난 사이. 극 중 캐릭터는 '염정아의 딸(김혜준) 친구'였다. 그걸 기억한 염정아가 'SKY 캐슬' 전체 리딩 날 “딸 친구였지?”라며 따뜻하게 맞아줬다고.
닮은 꼴로 캐릭터 마이멜로디가 있다. 'SKY 캐슬'의 강예서 역할을 하며 생긴 별명인데, 극 중 강예서와 마이멜로디가 높은 싱크로율을 나타내서 팬들이 부르는 호칭이다. 대외적인 별명은 마멜공주라고 굳혀진 듯. 본인도 이 사실을 알고, 사랑받고 있음에 감사하고 있다. 실제로 산리오 코리아로부터 마이멜로디 인형 선물을 받아서 본인의 인스타그램에 인증샷을 올리기도 했다.
최근에 보이그룹 SF9에서 연기 활동을 하는 멤버들과 호흡을 자주 맞춘다. 찬희 같은 경우는 드라마 'SKY 캐슬'에서 강예서가 짝사랑하고 있는 황우주 역을 하며 호흡을 맞췄고, 로운은 본인의 첫 주연작 드라마 '어쩌다 발견한 하루'에서 은단오의 상대역 하루를 맡아 함께 호흡을 맞췄다.
'SKY 캐슬' 포상 휴가차 간 푸켓 여행이 생애 세 번째 해외 여행이라고 한다.
'어쩌다 발견한 하루'의 만화책 넘어가는 소리 "사각"을 직접 녹음했다고 한다.
'어쩌다 발견한 하루'에서 맡은 은단오 역이 여주인공이라서 전체 서사의 중심이기도 했지만, 작중 세계관을 시청자들에게 이해시키는 포지션이자 모든 등장인물들과의 연결고리가 되는 캐릭터라서 드라마 내에서 엄청난 분량을 소화했다. 특히 1~4화의 분량은 원맨쇼 수준.
특기는 수영과 검도라고 한다. 아주 잘 하는 건 아니지만 좋아한다고.
연기를 시작한 고등학생 때부터 줄곧 대중교통을 타고 다니며 혼자 현장에 다녔다고 한다. 차가 끊기는 시간에만 아버지가 태워주셨다고. 'SKY 캐슬' 이후에 첫 소속사가 생겼으니 거의 데뷔 후 7년간 버스와 지하철을 타고 다니며 단역생활을 한 듯 하다.
'SKY 캐슬'에서 함께 호흡을 한 선배 배우 김서형은 "김혜윤이 어릴 적 심은하와 닮았다"라고 언급했다.
대학교 때부터 학교 앞에서 자취를 했다고 인터뷰에서 밝혔다. 방학 때는 본가에 들어가고, 학교 다닐 때는 친구랑 같이 살았다고 한다. 4년 동안 함께 산 룸메이트는 건국대 영화학과 동기이자 '어쩌다 발견한 하루'에서 한수다 역을 맡았던 배우 정지현. 성격도 잘 맞고 힘들 때 의지하는 친구로 어디 놀러갈 때 항상 같이 다닌다고 한다. 현재는 이사를 가서 따로 살고 있다고.
공식 주량은 맥주 1잔이고, 비공식 주량은 소주 1병이라고 한다.
MBC 연기대상에서 '어쩌다 발견한 하루'로 신인상-우수연기상 2관왕을 하였다. 시상식 이후 김혜윤의 일반인 친구가 인스타그램에 해시태그를 달고 공개로 올린 장문의 수상 축하글이 인터넷 상에서 화제가 되기도 했다.
건국대 영화학과 재학 시절 연기로 유명했던 것으로 보인다. '본격연예 한밤 길거리 게릴라 데이트'에서 마주친 같은 학과 후배는 김혜윤에 대해 "'연기 잘하는 선배' 하면 제일 먼저 뽑히는 게 혜윤 선배. '걔 눈을 봐라 걔는 뭐 할 애다' 라는 선배에 대한 얘기를 주변에서 정말 많이 들었어요."라고 말했다. 또한 공부랑 외부 활동을 다 챙기고 제일 열심히 하는 걸로도 유명했다고.
'한밤'과의 인터뷰 때 코인 노래방 가서 노래 부르는 걸 즐긴다고 언급했다. 리포터가 춤도 잘 추지 않냐면서 과거 '런닝맨'에서 김혜윤이 췄던 '쥬얼리의 One More Time' 춤을 언급하자 자신이 학창시절 '방송댄스반' 동아리 활동을 했다고 밝혔다.
어린 시절에 물고기를 키워본 것 말고 다른 동물들은 한 번도 키워본 적이 없다고 한다.
극장 특유의 냄새를 좋아한다고 한다.
한끼줍쇼에서 게임 리그 오브 레전드의 유저임이 밝혀졌다.관련 영상 배우 정혜성의 인스타그램에 롤을 같이 한 듯한 사진이 올라오기도 했다. 원딜 유저로 추정된다.
26세로 젊은 나이임에도 불구하고 연기력이 굉장히 뛰어나다. 대학 시절에도 연영과 내에서 연기력으로 유명했고, 동료 배우인 김동희도 촬영장에서 그의 연기를 보고 너무나 잘해서 놀랐다고 증언했을 정도이니. 20대 초반~중반 나이대의 배우들 중에서는 손에 꼽을 수준이라고 볼 수 있다. 준수하고 매력적인 외모, 단역부터 차근차근 다져온 연기 내공, 학구적인 본인의 성향을 바탕으로 한 완벽한 캐릭터 분석력에 결정적으로 타고난 연기력까지, 명배우가 되기 위한 조건들을 빠짐없이 갖춘 안방극장과 충무로의 기대주라고 볼 수 있다. 아직까지는 주연작이 많지 않음에도 불구하고 본인이 출연한 작품 내에서 김혜윤의 존재감은 꽤 독보적이다.
