Après des débuts dans le mannequinat, Kim Mi-soo s'oriente vers la comédie à la fin des années 2010, notamment dans le drama sud-coréen Hi Bye, Mama ! où elle joue la petite soeur de l'héroïne-fantôme, ou dans la série fantastique The School Nurse Files.

C'est le thriller surnaturel Hellbound qui la fait connaître internationalement grâce à sa diffusion sur Netflix : elle y incarne la Diacre Young-in, membre influente de la Nouvelle Vérité, dans les épisodes 4, 5 et 6 de la saison 1.

Kim Mi-soo s'illustre par la suite dans la série Disney+ Snowdrop, centrée sur le soulèvement démocratique de juin 1987 à Séoul. Dans ce drama controversé et critiqué en Corée du Sud pour ses inexactitudes historiques et ses choix artistiques, elle incarne l'étudiante militante Yeo Jeong Min, colocataire de l'héroïne campée par Jisoo, du groupe K-pop Blackpink.

Kim Mi-soo décède brutalement à l'âge de 29 ans le 5 janvier 2022.