2002年2月，吴涟序与赵银星、全慧彬组成女子组合LUV，随组合发行迷你专辑《JTL 1st》，以歌手身份正式出道。5月，随LUV发行正规专辑《Story Orange Girl》，专辑收录《I Still Believe In You》、《Orange Girl》、《Bye Bye》等14首歌曲 。2003年，LUV组合成立不到一年即宣布解散，吴涟序结束歌手身份转型为演员，开始接拍广告以及参与戏剧演出。同年，出演青春喜剧《玉林的成长日记》，饰演功课好但很自私的李家大女儿李艾林 。2004年，吴涟序开始陆续参加数百次的影视剧试镜，但均未获得通过；此外，她还先后在《比天国陌生》、《H.I.T》等剧中出演了一些小角色，度过了颇为艰难的一段岁月 。2008年1月，吴涟序出演古装剧《大王世宗》，饰演宫女于丽。6月，参演家庭喜剧《回来的大酱汤锅》，饰演性格活泼的女孩徐秀珍 。2009年，吴涟序与刘信爱、张京雅合作主演恐怖电影《女高怪谈5：结伴自杀》，饰演隐忍而又狠辣的高中生李幼珍 。2010年，吴涟序出演古装剧《同伊》，饰演朝鲜第19代肃宗的正妻仁元王后 。2011年，为动画电影《珍贵日子的梦想》配音，饰演漂亮又成熟的高中生秀敏。2012年2月，吴涟序与金南珠、刘俊相合作主演周末家庭剧《顺藤而上的你》，饰演一切都以自我为中心的整形外科医院协调员房末淑，凭借该剧获得KBS演技大赏女子新人奖 。5月，主演爱情电影《只是朋友》，饰演独立音乐人宋恩智。11月，吴涟序首次担任女主角，与李章宇、陈泰贤合作主演日日剧《吴子龙，走吧》，饰演AT集团社长的千金罗公主 。2013年，吴涟序与与权相佑、郑丽媛联袂主演医疗剧《医学团队》，饰演充满朝气的胸外科医生崔雅珍 。2014年，吴涟序与金智勋、李宥利合作主演周末剧《来了！张宝利》，饰演个性泼辣但心地善良的张宝利，该剧平均收视率最高达到35.8%，她凭借该剧获得第7届韩国电视剧大奖最佳女演员奖和MBC演技大赏长篇电视剧女子最优秀演技奖 。2015年1月，吴涟序与张赫合作主演古装剧《辉煌或疯狂》，饰演青海商团的实权人物、渤海王国未代公主晨燏 。2016年2月，吴涟序与郑智薰合作主演奇幻喜剧《回来吧大叔》，饰演黑帮老大重生后所变成的妙龄女子洪兰 。8月，主演体育励志电影《国家代表2》，饰演胜负欲强、具有反抗精神的女子冰球选手朴彩英 。9月，确定搭档朴海镇主演浪漫爱情电影《奶酪陷阱》，饰演非常有主见的女大学生洪雪 。2017年，吴涟序与周元合作主演古装剧《我的野蛮女友》，饰演个性泼辣的女主角 。