蔡卓妍于2000年参与拍摄香港电台电视部制作的青春剧青春@Y2K，并在剧中担任角色，此剧播出后获得观众关注。她随后通过杂志负责人引荐签约英皇娱乐集团经纪公司，成为旗下艺人。2001年，她与钟欣潼组成女子演唱组合Twins，并以歌曲明爱暗恋补习社出道，该歌曲作为组合首支派台歌在香港电台播放。Twins在出道初期推出专辑Twins，销量达到白金唱片标准。2002年9月，Twins在红磡香港体育馆举办演唱会，当时蔡卓妍年仅19岁，此次演唱会创下当时最年轻女歌手在该场地举办演唱会的纪录。

2003年，蔡卓妍参与电影千机变的拍摄，并在片中饰演角色，该片在香港上映后票房超过千万港元。她还与Twins推出专辑Touch of Love，该专辑包含歌曲下一站天后，该曲获得多个音乐奖项。2004年，她与郑中基合作电影追击八月十五，并在拍摄期间建立关系。同年，Twins推出专辑Magic，该专辑销量超过十万张。2005年，Twins推出首张普通话专辑见习爱神，该专辑在亚洲销量达到80万张。她还为广播剧原声专辑36计中的歌曲鱼旦歌拍摄音乐录影带，并为电影情癫大圣歌曲爱的粤语版填词。

2006年，蔡卓妍与郑中基在洛杉矶秘密注册结婚，此事当时未对外公布。她参与电影妄想的拍摄，并在片中担任女主角，该片上映后获得票房收入。Twins推出专辑八十块环游世界，该专辑包含多首歌曲在电台播放。2007年，她凭借电影戏王之王获得第12届香港电影金紫荆奖最佳女主角和最受欢迎女演员奖项。

同年，在香港特区10周年电影选举中，她获得观众投票的我最喜爱新世代女演员奖和业内人士选出的最具潜质女演员奖。在香港国际影视展及香港亚洲电影投资会2007期间的香港影视业调查报告中，她被选为香港电影市场最卖座女艺人之一，此后连续三年入选该调查。她还凭电影妄想在韩国富川国际奇幻电影节获得最佳女主角奖。

2008年1月，Twins在2007年度十大劲歌金曲颁奖典礼中获得亚太区最受欢迎香港女歌星奖。随后，由于钟欣潼事件影响，蔡卓妍开始独立发展。她继续出演电影并拍摄广告，7月推出与父亲合撰的著作单·亲·爱，该书描述单亲家庭生活，收益用于慈善用途，推出两日内售罄。8月，她为愿望成真基金筹款推出首张单曲唱片Make A Wish。9月29日，她与林俊杰合唱歌曲小酒窝，该曲获得第31届十大中文金曲颁奖音乐会全国最佳中文歌曲奖。她还凭电影戏王之王获得第27届香港电影金像奖最佳女主角提名。

2009年，蔡卓妍正式以个人身份发展歌唱事业。2月，她推出首支个人歌曲二缺一，该曲在电台获得播放支持。4月，她发行个人首张音乐专辑二缺一，该专辑获得白金唱片销量。10月15日，她发行个人音乐EP Another Me，该EP包含歌曲生还者和她创作的放得低，主打歌获得电台播放，该EP同样获得白金唱片销量。12月，她在澳门举行蔡卓妍、光良Make A Wish童话音乐会，此为个人发展后首个售票演唱会。她连续两年获得香港最强广告人气天后奖。

2010年3月23日，蔡卓妍与郑中基在记者会上公布已于年初离婚，此前婚姻持续四年。她发行首张国语专辑As a Sa，该专辑包含歌曲放不低等。9月，她与陈伟霆的恋情曝光，两人通过合作电影美丽密令相识。她还参与电影翡翠明珠的拍摄，并在片中担任角色。2011年，她推出专辑Everyone，该专辑在香港发行。2012年7月24日，她发行个人粤语专辑Montage，该专辑包含多首歌曲。她参与电影大追捕的拍摄，并在片中饰演角色，该片上映后获得票房。

2013年6月20日，蔡卓妍推出专辑Blooming，该专辑在香港发行。她与陈伟霆的恋情持续，两人于2015年9月20日通过社交媒体公布分手，此前交往五年。分手后，她继续参与影视工作。2014年，她出演电影雏妓，并在片中担任女主角，该片在香港上映。2015年，她参与电影陪安东尼度过漫长岁月的拍摄，并在片中饰演角色。2016年，她出演电影原谅他77次，并在片中担任女主角，该片于2017年上映。

2017年，蔡卓妍与石恒聪的恋情曝光，两人通过朋友介绍相识，石恒聪为香港麻将馆连锁店继承人。她参与电影77次心跳的拍摄，并在片中担任角色。2018年，她出演电视剧武则天，并在剧中饰演太平公主，该剧在内地播出。2019年，她参与电影圣人大盗的拍摄，并在片中担任女主角，该片在台湾上映。她还推出歌曲下一站天后，该曲为重新录制版本。2020年，她参与电影热血合唱团的拍摄，并在片中饰演角色，该片在香港上映。2021年，她出演电影感动她77次的拍摄，并在片中担任女主角，该片于2021年上映。

2022年，蔡卓妍参与综艺节目乘风破浪的姐姐第三季，并在节目中表演歌曲。她还出演电影还是觉得你最好的拍摄，并在片中担任女主角，该片在香港上映，票房超过千万港元。2023年8月13日，她与石恒聪分手，此前交往六年，分手原因涉及生活方式差异，无第三方介入。她在社交媒体上确认分手消息。分手后，她继续工作，参与电影死亡通知单的拍摄，并在片中担任角色，该片于2024年上映。

2024年，蔡卓妍参与综艺节目无限超越班第二季，并在节目中担任学员。她出演电影金手指，并在片中饰演角色，该片在香港上映。2025年2月，有报道称她与石恒聪旧情复燃，但她否认该消息。2025年8月10日左右七夕期间，她与健身教练林俊贤一同现身红磡香港体育馆观看林家谦演唱会，此事被媒体拍摄到。林俊贤时年33岁，比她小9岁，他担任她的健身教练，也为关智斌等艺人提供健身指导。

2025年11月5日，蔡卓妍在出席活动时被问及生日计划，她表示生日饭局将与另一半出席，但未明确透露身份，此言被视为暗示有新恋情。2025年11月6日，媒体报道她与林俊贤交往数月，发展稳定。她已向身边好友确认林俊贤的男友身份。报道指出，两人关系通过健身指导开始，林俊贤在社交媒体限时动态晒出抱她爱猫阿Boo的照片，并配文I got a cat，此举被视为借猫公开恋情。她在社交媒体透露今年家中新增两只猫，芝麻妹妹和阿Boo妹妹，与林俊贤的照片对应。