11살 때 잡지 키즈모델로 데뷔했다. 다만 이전 훨씬 더 어릴 때도 활동해 뽀뽀뽀에도 나왔었다고 한다.
어릴 때부터 차갑고 시크한 외모의 독특한 분위기로 주목을 끌었다. 키즈모델을 지나 성인이 되어 모델 활동할 때 예명으로 '우리'를 사용했으나 본격적으로 연기자 활동을 시작하면서 본명인 '김윤혜'를 다시 사용하고 있다.
광고, 잡지 모델 활동을 하며 2000년대 초부터 뮤직비디오에도 많이 출연했으며, 영역을 넓혀 2007년 KBS2 드라마 최강 울엄마 등 여러 드라마에 나왔다. 현재까지 영화, 드라마에서 다양한 역할로 활발한 활동을 이어가고 있다. 특히 액션 연기와 시크하고 독특한 외모가 주목을 끌기도 한다.
영화 "점쟁이들"에서 꽤 비중이 있는 역을 맡았고, 2013년 영화 소녀에서 주연다운 주연을 맡았다. 영화 자체는 무거운 주제의 소규모 영화로, 흥행은 아쉬웠지만 높은 평가를 받았다. 이 영화로 황금촬영상 신인연기상을 수상하여 연기생활의 전환점이 되었다.
2017년 SBS 드라마 엽기적인 그녀에 출연하였고, 2018년에 JTBC 드라마 제3의 매력에 출연했다.
[1] 모델 활동 시절 예명[2] 모히또라는 이름으로 2017년 촬영 종료되었으나 방송사에 편성되지 못하고 떠돌다 4년만에 제목을 바꾸어 Seezn에 편성되었다.[3] 가수 이승환이 만든 소속사였던 드림팩토리에서 자사의 인기가수 이소은의 뒤를 이을 2호 여가수로 발굴 했던 신인가수였다. 김윤혜가 지면 촬영이 아닌 공식 영상 매체로는 첫 데뷔작.[4]띠동갑인 안유진의 상사 역할이다.