2005年，郭彤彤考入
上海戏剧学院表演系本科班。2008年，郭彤彤赴韩国、意大利、波兰参加国际大学生戏剧节并获得欧洲剧院颁发的证书。
2011年4月，由其担纲主演的话剧《黑衣女人》在上海话剧艺术中心首演；10月，出演根据山田宗树的小说《
被嫌弃的松子的一生》改编的话剧《
松子的爱》，在剧中出演中学国文老师川尻松子；11月，出演根据安妮宝贝小说改编的话剧《
七月与安生》，在剧中饰演七月。
2015年，在参演的悬疑谍战剧《
伪装者》中饰演被明台施了美男计的日本特务桃子小姐；12月，出演改编自张小娴文学作品《我这辈子有过你》的舞台剧《这辈子有过你》，在剧中出演女设计师周蕊；同年，获得壹戏剧大赏年度菁英女演员奖。
2016年，与
杨子奕、
任山一起出演音乐话剧《白蛇传》，在剧中饰演青蛇，并凭借该话剧获得了第三届河内国际小剧场戏剧节表演银奖；10月，参演的爱情喜剧电影《
脱单宝典》上映，在片中饰演广告总监资姐。
2017年，参演的都市情感剧《
我的前半生》播出，在剧中饰演凌玲的部下小董；8月，出演由上海话剧艺术中心和加拿大史密斯·吉尔莫剧团共同首创的肢体剧《
鲁镇往事》。
2019年2月21日，参演的抗战剧《
觉醒》播出，在剧中饰演外表冷酷却内心细腻的法租界女巡捕吴蕾。
2020年2月18日，出演的电视剧《完美关系》播出；7月17日，参演电视剧《
三十而已》播出。
2024年7月15日，参演的电影《素味平生》上映；9月18日，出演的明查暗斗反特剧《
暗夜与黎明》播出。
郭彤彤表演的话剧《七月与安生》，虽然抓住了七月最真实的心理特征，但在演绎少女时期的七月时，似乎不够到位，至少和原著中七月给人的感觉有些偏差。在故事渐进高潮之后，郭彤彤的表演却赢得了观众的认可（新浪娱乐评）。