2001年，出演姜峰执导的警匪剧《烟海沉浮》，这也是她的首部影视剧作品。2003年，出演剧情片《电影往事》，在剧中饰演天真无邪，热爱电影的童年江玲玲；11月，与郭晓冬、李佳合作出演乡村爱情文艺片《暖》，在剧中饰演暖的女儿丫；同年，出演王珈执导的剧情片《惊心动魄》。

2005年，出演陈凯歌执导的奇幻动作片《无极》，在片中饰演小时候的倾城；同年，出演家庭伦理剧《回家》。2006年，出演张延斌执导的数字电影《惟有承诺留我心》，饰演小时候的韩雪婷；同年，与董洁、潘粤明合作出演年代情感剧《红衣坊》，饰演富家小姐赵雪茗。

2007年，在张琦执导的悬疑惊悚片《救我》，饰演善良可爱的小雪；4月，搭档张嘉译出演家庭伦理剧《温暖》；5月，与张嘉译、李小冉合作出演《为爱结婚》，饰演学生陆蓓蓓；6月，与邱心志、田海蓉合作出演年代情感剧《旗袍》；随后，与李冰冰、黄海冰共同出演古装青春励志剧《再生缘》，饰演童年孟丽君；同年，搭档姚芊羽出演悲情励志剧《笑着活下去》。

2008年，出演刘苗苗执导的剧情片《小田进城》，在剧中饰演农民工吴国庆的女儿小田；2月，与陈小艺、黄曼合作出演都市情感剧《突然心动》，饰演聪明伶俐的小学六年级学生肖娅；6月，与梅婷、王志文、佟大为合作出演年代爱情剧《幸福还有多远》饰演吴天亮收养的小女儿大丫；11月，与午马、郑佩佩合作出演情景喜剧《家有儿女新传》，饰演漂亮可爱，学习好的唐娜。

2009年，与周杰伦、林志玲合作出演寻宝探险片《刺陵》，饰演小时候的蓝婷；2月，与林心如、刘涛共同出演古装爱情剧《大理公主》饰演贫苦寡妇杨玉姣的女儿杨阿细；同年，出演韩三平执导的纪录片《春蕾绽放》，饰演春蕾班的少数民族学生农小梅；11月，与刘佳、李幼斌合作出演谍战剧《密战》 ，饰演武梅的女儿；同年，还参演了董志强执导的家庭伦理剧《故梦》。

2010年1月，在都市情感剧《突然心动》中，饰演肖关鹏的女儿肖娅；12月，客串冯小刚执导的喜剧爱情片《非诚勿扰2》 。

2011年，参演安建执导的年代商战剧《向东是大海》；11月，与陈思斯、巫刚共同出演《戈壁母亲》，饰演小时候的钟柳；同年，与毛俊杰、朱刚日尧共同出演古装传奇剧《孔子春秋》，饰演年少的小姜。

2012年，出演爱情神话片《画皮2》，饰演少年靖公主；9月，出演吴永伦执导的校园清新偶像剧《101次告白》，饰演表面上有着富家千金的任性和傲慢，实则是率真善良的朱贝贝。

2013年，与刘德华、林志玲合作出演动作科幻片《天机·富春山居图》；8月，与方力申、张馨予合作出演悬疑爱情片《致命闪玩》，在片中饰演初中女生。

2014年2月，与王志文、李小冉合作出演家庭情感喜剧《大丈夫》，在剧中饰演王志文的女儿欧阳淼淼；3月，与张嘉译、闫妮合作出演都市时尚情感剧《一仆二主》，饰演杨树的女儿杨树苗。

2015年，在徐辅军执导的家庭情感剧《妻子的谎言》中，饰演江一明的台词老师陈璞玉；3月，搭档姜潮共同主演都市爱情片《向天真的女生投降》，关晓彤的父亲作为该片制片人 ；4月，出演苏有朋执导的青春爱情片《左耳》，在片中饰演张漾的女友蒋姣；5月，出演青春偶像剧《嬉戏魔法乐园》，在剧中饰演聪明可爱的安洁西公主 。9月，关晓彤发行个人首支单曲《安洁西公主》 ；10月，与景甜，张哲瀚合作出演古装爱情喜剧《班淑传奇》，饰演班淑的学生江绣；随后，主演爱情喜剧片《浪漫天降》，在片中饰演俏丽空姐沙沙 ；11月，关晓彤发行暖心小情歌《关于你和我的故事》；12月1日，发行首张Mini专辑《十八Eighteen》；12月，出演都市情感剧《我的老婆大人是八零后》，在剧中饰演叛逆任性的visa 。

2016年5月31日，与孙红雷、江疏影、张艺兴合作主演都市爱情剧《好先生》首播，在剧中饰演冷漠叛逆、不爱说话的彭佳禾，并凭借该剧获得第23届上海电视节-白玉兰奖最佳女配角奖；1月11日，在情感剧《搭错车》中饰演心地善良、为人仗义的阿美；随后，主演清新校园喜剧《老师晚上好》，饰演活力四射、敢爱敢恨的学生林夏；2月7日，首次参加央视春节联欢晚会，与郭冬临、马天宇等人合作表演小品《是谁呢》；4月20日，主演年代情感励志剧《我们的纯真年代》播出，在剧中饰演尤玲之女苦瓜；7月20日，领衔主演的古装剧《九州·天空城》播出，在剧中饰演天真无邪且神秘的星流花神易茯苓 。

2017年1月27日，与王嘉、马天宇在央视春节联欢晚会桂林分会场共同演唱歌曲《带上月光上路》，这也是关晓彤第二次登上央视春晚舞台；7月28日，其与众多艺人共同出演的建军九十周年献礼片《建军大业》在全国上映，她在片中则饰演革命先辈邓颖超；8月8日，主演的古装玄幻剧《轩辕剑之汉之云》播出，饰演阳光天真的夷洲土著少女耶亚希；11月27日，与马可搭档主演的青春校园励志剧《极光之恋》播出，饰演在美国留学的歌舞剧演员韩星子；此外，她还与王一博共同演唱了电影《二次初恋》的同名主题曲。

2018年1月14日，与宋威龙搭档主演的古装爱情剧《凤囚凰》首播，在剧中饰演刘楚玉。随后，与盛一伦、张天爱合作主演现代励志轻喜剧《如果可以，绝不爱你》；4月30日，关晓彤参加央视五四晚会录制，并在晚会上获得了“五月的鲜花”优秀青年演员称号；6月8日，主演的青春爱情片《一纸婚约》上映，在片中饰演张辉的女儿王小相，她也凭借该片获得第9届澳门国际电影节最佳女配角奖提名；7月23日，与鹿晗搭档主演的青春热血格斗剧《甜蜜暴击》在湖南卫视播出，她在剧中饰演性格坚强独立，但外表冷漠的女子方宇；同年出演电影《图兰朵》，饰演图兰朵公主；9月30日，主演的由张艺谋执导的武侠动作片《影》全国上映，而她在片中饰演娇蛮少女青萍；12月4日，主演的奇幻爱情喜剧开机《月半爱丽丝》开机，饰演爱丽丝。

2019年1月4日，关晓彤为中国电影频道评选的演技派新生代四小花旦最终人选。2月1日，担任浙江卫视《王牌对王牌第四季》固定王牌MC；2月4日，参加2019年央视春晚，关晓彤与韩雪、王嘉、魏大勋、台风少年团演唱歌曲《青春畅想》；4月，关晓彤参加北京卫视明星跨界家装改造真人秀节目《向往的星居》的录制；9月14日，主演黎志执导的青春剧《二十不惑》，在剧中饰演傲娇叛逆，爱打扮爱美妆梁爽；9月16日，为《我和我的祖国》-“音为有你”主题音乐活动，翻唱经典歌曲《听妈妈讲那过去的事情》；10月，入围第六届“中国电视好演员”绿组女演员候选名单。