出道前，从高三开始担任兼职模特儿，以拍摄杂志及广告为主，亦曾与中学同学于电影《自从他来了》中担任特约演员，饰演学生之一。2000年签约英皇娱乐集团经纪公司，与钟欣潼组成双人女子歌唱组合Twins成员而进入演艺圈。2002年凭借电影《常在我心》入围第21届香港电影金像奖最佳新演员奖。2003年主演电影《下一站天后》获得更多关注。2007年凭借电影《戏王之王》获得第12届香港电影金紫荆奖“最佳女主角”与“最受欢迎女演员”，并入围第27届香港电影金像奖最佳女主角奖。2008、2009年连续两年获得香港“最强广告人气天后”奖。2009年发行首张个人大碟《二缺一》。2010年发行首张国语专辑《AS a SA》。2012年7月24日发行个人粤语专辑《Montage》。2013年6月20日推出专辑《Blooming》。2015年凭借电影《雏妓》获得第十五届华语电影传媒大奖年度最受欢迎女演员奖，并入围第34届香港电影金像奖最佳女主角。
《下一站天后》是由马伟豪执导的爱情喜剧片，阿sa蔡卓妍、陈小春、周丽淇、余文乐等主演的电影。影片讲述了渔家姑娘善喜为了歌唱梦想，努力追求歌唱事业的故事。该片于2003年3月13日在香港上映。《戏王之王》是一部由陈庆嘉执导，蔡卓妍、詹瑞文主演的喜剧电影，于2007年6月19日上映。影片讲述的是为了卧底更为逼真，警员陈文龙被派往演艺学院学演技，与同来进修的三级女星单丹一起经历了诸多演技挑战，体会到“生活就是演戏”的故事。
《雏妓》是英皇娱乐集团有限公司于2015年3月5日上映的社会写实片，由杜汶泽监制，邱礼涛执导，蔡卓妍和任达华联袂主演。故事讲述于杂志社工作的何玉玲（蔡卓妍饰）花了四个月时间完成一篇关于官商丑闻的报道，却基于杂志社利益为由被老总抽稿。意兴阑珊的她决定到泰国清迈散心，在酒吧遇上雏妓Dok-My，玉玲看在眼里心感难受，千方百计决定将Dok-My救出火海。原来Dok-My令玉玲忆起自己十多年前的经历，曾经被后父性侵而离家出走，令她遇上比她年长三十年的甘浩贤（任达华饰）这位长腿叔叔。展开长达八年的不道德交易，她愿意被包养以换取学位与栖身之所，两人感情千丝万缕，关系如父女又如情人般扑朔迷离。