Han Hyo-Joo est née le 22 février 1987 à Cheongju, dans la province du Chungcheongbuk-do, en Corée du Sud. Sa mère travaillait comme enseignante à l'école primaire avant de devenir inspectrice dans les écoles publiques, tandis que son père servait dans l'armée. Enfant, Han Hyo-Joo excellait en sports et adorait l'athlétisme. En deuxième année de lycée, elle s'est installée à Séoul et a fréquenté le lycée Bulgok. Bien que son père, conservateur et strict, s'opposait à son déménagement, elle a réussi à réaliser son souhait. Après le lycée, Han Hyo-Joo a étudié le théâtre à l'université Dongguk. Selon elle, sa personnalité correspond à sa classification du groupe sanguin A : calme, ne se met pas en colère facilement et capable de supporter les difficultés sans grande expression. En 2003, Han Hyo-Joo a remporté le grand prix du concours Miss Bing-geure, ce qui a attiré l'attention du monde du divertissement (Bing-geure est une compagnie alimentaire coréenne). En 2005, elle a obtenu ses premiers rôles dans la sitcom MBC « Nonstop 5 » et le film « My Boss, My Teacher ». Ces débuts sont passés largement inaperçus. En 2006, Han Hyo-Joo a décroché son premier rôle principal dans le drama KBS2 « Spring Waltz ». Le réalisateur Yun Seok-Ho a déclaré qu'il avait eu l'idée de la casting après avoir navigué sur Internet et découvert sa photo. Il a trouvé qu'elle conservait la pureté de l'enfance et une certaine mystériosité qui correspondaient parfaitement à son personnage. Han Hyo-Joo a également confié que travailler sur « Spring Waltz » avait été difficile, principalement en raison de son inexpérience en tant qu'actrice. Son premier rôle principal au cinéma est venu en 2006 avec le film indépendant « Ad Lib Night », réalisé par le cinéaste réputé Lee Yoon-Ki. L'expérience de Han Hyo-Joo sur ce projet s'est déroulée bien plus facilement que son premier rôle dans une série dramatique. Elle se souvenait que le tournage d'un mois avait volé en éclats et aurait aimé qu'il dure plus longtemps. Sa performance a été chaleureusement accueillie par la critique et elle a remporté le prix de la « Meilleure actrice » de la 26e édition de l'Organisation coréenne des critiques de cinéma et du 20e Festival international du film de Singapour. Le véritable succès commercial de Han Hyo-Joo est arrivé avec son rôle dans la populaire série dramatique SBS de 2009 « Brilliant Legacy », aux côtés de l'acteur et chanteur Lee Seung-Ki. Cette série, mêlant une bonne dose de mélodrame coréen à une intrigue inspirée des « Grandes Espérances » de Charles Dickens, a captivé les Coréens tout au long de l'été 2009. « Brilliant Legacy » a régulièrement obtenu des audiences dépassant les 40 % et a propulsé Han Hyo-Joo comme l'une des jeunes actrices les plus populaires de Corée. Avec sa popularité, les médias et les magazines de potins ont commencé à spéculer sur la vie amoureuse de Han Hyo-Joo. En 2010, Han Hyo-Joo a élargi ses horizons en acceptant le rôle principal dans la série dramatique historique MBC « Dong Yi ».