Balan stand früh vor der Kamera. 1995 spielte sie mit 17 Jahren in derSitcomHum Paanch mit.Vidya Balan sollte in demMalayalam-FilmChakram mitspielen, jedoch wurde der Film während der Produktion abgebrochen. Ihre Versuche, Filme zu drehen, scheiterten vorerst. Danach wandte sie sich an das Fernsehen und machte Werbung. Seit 1998 hat sie schon viele Werbespots gedreht. Regie führte meistensPradeep Sarkar. Vidya nahm auch Nebenrollen in Musikvideos an.
2003 erschien Balan in dembengalischen FilmBhalo Theko, und zwei Jahre später debütierte sie inBollywood mitParineeta an der Seite vonSaif Ali Khan undSanjay Dutt. Letzterer Film war sehr erfolgreich und viele bekannte Regisseure boten ihr Rollen für Filme an. Auch ihr nächster BollywoodfilmLage Raho Munna Bhai mit Sanjay Dutt wurde ein großer Hit.In der Verfilmung vonSilk Smithas LebenThe Dirty Picture (2011) konnte Balan sich selbst nebenEmraan Hashmi undNaseeruddin Shah beweisen und gewann mehrere Preise für ihre Darbietung.In der Doku-DramaNo One Killed Jessica verkörperte Vidya Sabrina Lall, deren Schwester Jessica Lall 1999 ermordet wurde, weil sie sich weigerte, Alkohol nach Ladenschluss zu verkaufen. Mit der Journalistin Meera Gaity, die vonRani Mukerji gespielt wurde, möchte sie den Mörder ihrer Schwester ins Gefängnis stecken, was sich als sehr problematisch herausstellt, da er der Sohn eines einflussreichen Politikers ist. Mit der Unterstützung von Sabrina Lall konnten sie unter den UTV Spotboy Banner das Projekt verwirklichen mit dem RegisseurRaj Kumar Gupta.
Unter der Regie von Sujoy Ghosh verkörperte sie inKahaani (2012) die schwangere Vidya Bagchi, die ihren verschollenen Mann sucht und sich dabei in Gefahr begibt. Ihre Darbietung wurde von Kritikern gepriesen und sie bekam mehrere Preise, darunter den Filmfare-Preis für die beste Schauspielerin.Eine Telugu und Tamil Version,Anaamika undNee Enge En Anbe, kamen zwei Jahre später ins Kino.2013 wurde sie in die Wettbewerbsjury der66. Internationalen Filmfestspiele von Cannes berufen.2014 spielte sie inBobby Jasoos die Titelrolle als Detektivin, die sich verkleidet, um Fälle zu lösen. Der Erfolg blieb aus und auch die Kritiker konnte der Film nicht überzeugen sowie zuvor inShaadi Ke Side Effects (2014), in dem sie Trisha spielt, die sich nach der Geburt ihrer Tochter mit ihrem Mann streitet.
In der vierten Zusammenarbeit mitEmraan Hashmi ist Balan 2015 inMahesh Bhatts romantischem FilmdramaHamari Adhuri Kahani zu sehen, das auf der Liebesgeschichte von Bhatts Eltern basiert.