1997年，關曉彤出生於北京市的一個藝術世家，祖父關學曾是北京琴書大師，父親關少曾是影視演員，由於家庭文化的薰陶，她從小也熱愛藝術，喜歡舞蹈和鋼琴。4歲半的時候，關曉彤和父親關少曾一起拍戲，自此出道。
2001年，出演個人首部電視劇《煙海沉浮》，從而開啓了她的演藝生涯，2005年因為在陳凱歌導演的電影《無極》中飾演“小傾城”而成名；2004年，由關曉彤擔綱女主角的電影《電影往事》獲中國電影金雞獎最佳音樂獎，同年，她的另一部作品《驚心動魄》獲大學生電影節評委會獎。
2016年5月31日，與孫紅雷、張藝興主演的都市情感劇《好先生》在江蘇衞視首播。2017年6月16日，憑藉《好先生》獲得第23屆上海電視節白玉蘭獎最佳女配角；7月28日，其與眾多藝人共同出演的建軍九十週年獻禮片《建軍大業》在全國上映。8月8日，其參演的《軒轅劍之漢之雲》登陸東方衞視播出。
2018年1月，參演大型勵志輕喜劇《如果可以，絕不愛你》。2018年4月30日，關曉彤獲“五四優秀青年演員”稱號。2018年6月11日，中國郵政宣佈首次為健康榜樣吳牧野、易烊千璽、王嘉和關曉彤發行全球首款以關愛HIV感染羣體，倡導健康生活為主題的紀念郵冊和郵票。
關曉彤一向古靈精怪，有時是貼心小棉襖的乖乖女，有時是處處給親爹下絆子的“壞女孩”，形象多變卻不乏機靈可愛。她在《我們的純真年代》中，從叛逆少女到貼心女兒，表演流暢自然，再加上她對細微末節恰到好處的拿捏總是讓人對這個角色感同身受，得到了不少觀眾的讚美。