自幼喜欢文艺的唐奕霖5岁开始学习芭蕾舞，12岁时就参加桃李杯，并得到了前辈的关注。同年，唐奕霖考下了钢琴十级，然后开始练习写歌，两年间创作了近百首歌曲。

14岁时，以异于同龄人的天赋和经验成功考入北京电影学院表演系。唐奕霖与包贝尔是同班同学，她们班毕业大戏的所有歌曲均由唐奕霖作曲，唐奕霖现场用钢琴伴奏。

2006年，首次触电的唐奕霖主演了由施润玖执导的纪录片《颐和园》，在片中她饰演将芭蕾舞和钢琴引入中国的德龄公主，该片得到了坎城电影节的多项提名。

2008年，唐奕霖与周迅、桂纶镁、张雨绮联合参演由徐克执导的爱情喜剧片《女人不坏》，饰演真性情的摇滚青年小黑一角。

2009年7月，唐奕霖与徐静蕾、黄立行、莫文蔚联袂出演爱情喜剧片《杜拉拉升职记》，饰演敢爱敢恨的的唐唐一角，片中对黄立行饰演的王伟大胆示爱。

2012年，唐奕霖出演喜剧励志剧《青春不够用》，剧中饰演患有“婚前恐惧症”的翠萍一角。同年，参加央视春晚的演出，与黄宏、沙溢、邵峰共同表演喜剧小品《荆轲刺秦王》，唐奕霖饰演的宫女虽没有一句台词，但凭藉在春晚直播中的自然笑场受到了广泛关注。

2016年，出演由包贝尔执导的古装剧《欢喜密探》，并在剧中饰演李吓一角。同年，与张歆艺、郭京飞出演的职场剧《她很漂亮》（中国版），在剧中饰演张歆艺的情敌唐唐。9月，与王迅、黄灿灿、梁超合作出演喜剧片《废柴老爸》，饰演Elaine一角。

无论是在《女人不坏》中扮演的摇滚青年小黑，还是在《欢喜密探》中反串扮演的李吓，每一次的角色塑造都向观众展示了她日渐娴熟的演技，唐奕霖出演过很多不同类型的影视剧，每一次的角色塑造都让她得到不一样的历练（大众网评）。

在《杜拉拉升职记》有过合作的演员导演对她讚不绝口，唐奕霖工作努力认真，为了能够把剧里的人物演得更好，她总是会反覆的琢磨。唐奕霖是一个非常热爱演艺事业的演员，她不仅要求自己能够演活每一个角色，更希望她能做得更好，所以在剧组会经常看到她认真研读剧本的场景。唐奕霖不仅有颜值，更有一股努力奋斗的冲劲，她会不断的充实自己，为自己的每一部戏做好準备（中国网评）。

不论是搭档桂纶镁出演的《女人不坏》，还是与徐静蕾导演合作的《杜拉拉升职记》都给人留下了一定的印象。唐奕霖塑造的这些性格迥异的角色，不仅赢得了观众的喜爱，演技也受到了肯定（环球网评）。