2004年,出演个人首部电视剧《
小留学生》,从而正式进入演艺圈。2005年,出演古装武侠剧《
碧血剑》。2006年,因在古装传奇剧《
日月凌空》中饰演杨美云而在娱乐圈崭露头角。2008年,主演年代抗战剧《
中天悬剑》。2009年,在古装传奇剧《
孔子》中饰演颜征在。2011年,因在民国谍战剧《
代号十三钗》中饰演徐子晏而获得更多关注。2012年,在家庭伦理剧《
有你才幸福》中饰演李晴。2013年,出演医疗题材剧《
产科医生》。2014年,主演年代谍战剧《
风云年代》。2015年,在知青情感剧《
遥远的距离》中饰演苏扬。2016年,在知青情感剧《
我的仨妈俩爸》中饰演白鸽,同年,徐百慧凭借电视剧《
芈月传》获得第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖提名。2017年,凭借电视剧《
大好时光》荣获第13届电视剧南方盛典最受观众喜爱角色人物奖;7月,主演的年代抗战剧《
锻刀Ⅱ》杀青;随后,在年代传奇剧《
燕阳春》中饰演燕阳春 。2018年,主演都市情感剧《
大哥》;12月,荣获第15届电视剧南方盛典年度影响力女演员。2019年,在大型话剧《耿飚将军》中饰演将军夫人
赵兰香。