이요원은 1997년 연예인 캐스팅 컨벤션의 모델캐스팅대회에서 대상을 수상한 후 월간 '휘가로' 11월호의 모델로 데뷔했다. 98년 <남자의 향기>에서 명세빈의 아역을 맡았고, 99년에는 <주유소 습격사건>에 아르바이트 주유원으로 출연하며 주목을 받았다.
이후 드라마 출연을 계속하다가 2001년에 들어 정재은 감독의 데뷔작 <고양이를 부탁해>에서 배두나와 주인공을 맡게 됐다. 빨리 뜨고, 빨리 스타가 되는 것보다 배우로 인정받고 싶다는 이요원이 맡은 역은 너무 출세지향적이라 친구들한테 왕따를 당하는 혜주. 이요원은 쓸데없는 제스쳐가 많은 것이 자신의 단점이라고 생각하지만 "내가 하면 깍쟁이로 그치지 않을 것 같다"며 <고양이를 부탁해>에 대한 의욕을 보였다.<고양이를 부탁해>는 비록 흥행에는 실패했지만, 평단의 호평을 받았으며, 이 영화로 이요원은 그 해 청룡영화제 신인여우상을 수상하였다.
2002년에는 신하균, 김민희와 함께 <서프라이즈>에 출연하였고, 같은 해 신승수 감독의 영화 <아프리카>에서 좋은 연기를 보여주었다. 그리고 2003년 1월 10일, 프로골퍼 지망생인 박진우씨와 결혼식을 올린 후 연기 활동을 잠정적으로 중단했으나 SBS <패선 70's>, 영화 <광식이 동생 광태>, SBS <외과의사 봉달희>를 연속으로 히트시켰다. 최근 MBC <선덕여왕>에서 카리스마 있는 선덕여왕 역으로 다시 주목받았다.