2000年，徐熙媛出演青春偶像剧《流星花园》，在剧中饰演“杉菜”一角。该剧于2001年在台湾首播，在2002年上映之后，以平均收视6.99的成绩成为台湾电视剧收视第四；同年，《流星花园》在中国内地播出。
2004年，与刘烨拍摄了她的电影处女作《疑神疑鬼》；同年，与F4中的周渝民合作主演台湾偶像剧《战神》，二人在该剧中担任男女主角。
2005年，徐熙媛自己创作的《美容大王》一书在中国大陆、台湾上市出售。据统计，《美容大王》在两岸销量突破80万本。
2006年5月26日，参演台湾惊悚电影《诡丝》，该影片入围戛纳电影节“官方正式观摩影片”单元。
2007年，与罗志祥共同出演偶像剧《转角遇到爱》，该剧获得年度合拍偶像剧领域的“收视冠军”；同年其创作的书籍《美容大王2·揭发女明星》出版发行；该年，与妹妹徐熙娣再次合作主持美食节目《大小爱吃》，至10月时因徐熙娣待产停播，在2008年3月12日重新复出，进棚录制。
2008年，徐熙媛在动作电影《保持通话》中饰演单亲妈妈Grace王海晴，并入围第28届香港电影金像奖的最佳女主角奖；5月，参演爱情电影《爱的发声练习》，在剧中饰演女主角小猫；7月5日，与陶晶莹、徐熙娣、侯佩岑共同主持第19届台湾金曲奖流行类颁奖典礼；8月24日，与陈建州主持台湾中视推出的舞蹈综艺节目《舞林大道》；9月28日，参演的动作电影《保持通话》上映。该电影上映4天就取得了300多万港币的票房 ；11月5日，参演科幻警匪片《未来警察》，影片中与刘德华演绎一段穿越时空的感情。
2009年3月15日，出演偶像剧《泡沫之夏》，片中饰演尹夏沫；6月，获善待动物组织网站公布，成为“2009年亚洲最性感素食女艺人”；7月20日，《泡沫之夏》杀青，徐熙媛与剧中主演何润东、黄晓明等参加剧组21日在台北举办的杀青酒会；7月30日，主演的喜剧电影《大内密探灵灵狗》在全国各大影院上映；10月6日参演爱情故事影片《全城热恋》；11月3日，在武侠电影《剑雨江湖》中扮演女杀手。
2010年4月1日，参演由任贤齐、罗家英等主演的动作喜剧古装片《龙凤店》；8月1日与刘德华、郑伊健等接拍影片《未世录》；11月，接拍民国武侠电影《大武生》，饰演席木兰。
2011年7月12日，参与拍摄苏见信的MV《黎明之前》 ；9月5日，徐熙媛与电影主创韩庚、吴尊、洪金宝、刘谦在北京出席《大武生》首映礼；同年底，开始代班主持中天综合台明星访谈类节目《康熙来了》，与蔡康永合作主持。
2012年6月21日，参演的影片《车手》在香港连续2周荣获票房冠军；同年，现身美容界盛事“OL直选·完美品牌大赏”颁奖礼活动现场，凭Pantene Clinicare拿下大中华区“OL至爱品牌代言人”奖项；12月，美国电影网站《TC Candler》公布年度全球“百大最漂亮面孔女星”，徐熙媛入围榜单，名列89。
2015年4月22日，徐熙媛再次代班主持《康熙来了》。2019年5月9日，与徐熙娣、阿雅、范晓萱参加的真人情感秀节目《我们是真正的朋友》在腾讯视频首播。