그녀는 1988년 드라마 《사랑의 기쁨》으로 본격적인 연기 활동을 시작하며 연기자로 데뷔하였고 이후 가족드라마 《사랑이 꽃피는 나무 2기》에서 청순하고 소박한 여학생의 이미지를 연기해 대중들에게 신선한 이미지로 어필하면서 이름이 알려지기 시작했으며, 영화 1989년 《행복은 성적순이 아니잖아요》, 1990년 《그래 가끔 하늘을 보자》의 히트작에 연이어 출연하며 1980년대 하이틴 스타로 인기를 끌었다. 1991년 드라마 《하늬바람》으로 첫 성인 연기를 선보였다.
1995년에는 배우 김승우와 결혼했지만, 얼마 못 가서 2000년 5년간의 결혼 생활을 정리하고 이혼했다.[3]
이미연은 1990년대 중후반에는 영화 《넘버 3》, 《모텔 선인장》, 《여고괴담》, 《내 마음의 풍금》 등의 영화에만 주로 출연하다 1999년 단만극 《TV영화 러브스토리》로 3년여만에 드라마에 컴백했고, 이후 2001년 인기리에 방영되었던 드라마 《명성황후》에서 젊은 명성황후 역으로 카리스마 넘치는 연기를 보여주어 많은 시청자들에게 강한 인상을 남겼으며, "내가 조선의 국모다"라는 유행어를 탄생시키기도 했다. 또한 당시 소속사였던 김광수 대표의 프로젝트로 《이미연의 연가》라는 컴필레이션 음반을 발매해 166만장이라는 엄청난 판매량을 기록했다.[4]
2000년에는 영화 《물고기자리》로 청룡영화상 여우주연상을 수상했고, 2002년 영화 《중독》으로 대종상 영화제 여우주연상을 수상했다. 2007년 드라마 《사랑에 미치다》로 5년여만에 안방극장에 컴백했지만 흥행에 참패했고, 2010년 드라마 《거상 김만덕》 역시 좋은 반응을 얻지 못했다. 그 후 2015년 드라마 《응답하라 1988》에서도 인터뷰식으로 최근 모습의 성덕선을 연기함과 동시에 호평이 많았다.