徐百慧出生于吉林省长春市，小学在长春市明德路小学就读，初中就读于吉林大学子弟中学。因为对音乐的喜爱，她初中毕业后报考了吉林艺术学院作曲系，后来因为与父母的期望冲突，不得不放弃。之后，徐百慧在东北师范大学附中高中毕业时，父母希望她备考托福，去美国学医，后因9.11事件导致签证被退而留在了国内。

徐百慧为了纪念17岁的时光，希望录制一张属于自己的专辑，后来被录音棚里的监制老师看到了徐百慧身上的优点，便鼓励她报考中央戏剧学院，结果初生牛犊的徐百慧只身到北京，在2002年顺利考入了中央戏剧学院表演系 。

2006年，与邓超、殷桃合作出演爱情伦理剧《爱了散了》，在剧中饰演流浪歌手艾艾 ；5月，与刘晓庆、焦恩俊合作出演古装传奇剧《日月凌空》，饰演太子妃杨美云 ；随后，出演毛卫宁执导的年代刑侦剧《数风流人物》，饰演美丽的女公安陶锦，这是她首次在影视作品中尝试警察的角色。

2007年，在欧阳奋强执导的家庭伦理剧《纯真岁月》中，饰演懂事的麦家长女麦思丹 ；同年，她还在张建栋执导的医疗题材剧《柳叶刀》中，饰演坚强乐观的心脏病患者丁凝夏 。

2008年，出演连奕名执导的年代抗战剧《中天悬剑》，饰演国民党女特务柳纤纤；8月，在武然导演的电影《吃葡萄不吐葡萄皮》中饰演邓芯 ；随后，在袁刚执导的古装情景喜剧《万卷楼》中，饰演门鼻儿的母亲慧莲；11月，与王姬、丁勇岱合作出演家庭伦理剧《爱的方式》，饰演犹豫懦弱的钟少霞 。

2011年，在年代战争剧《战争不相信眼泪》中，饰演巾帼不让须眉的蓝蔚青 ；随后，与韩雪、李超合作出演民国谍战剧《代号十三钗》，饰演沉着冷静、深藏不露的“一号金钗”徐子晏 。

2012年，在家庭伦理剧《有你才幸福》中，饰演独立直率、爱憎分明的女孩李晴，该剧在同时段平均收视份额为5.07%，创下当年央视一套黄金档最高收视纪录 ；6月，与黄海冰、任正彬合作出演抗日传奇剧《那年来了鬼子兵》，饰演英俊貌美、武艺高强，占山为王的大当家尹秀茹，而这也是徐百慧首次挑战打戏 。

2013年，徐百慧与宋丹丹、佟大为合作出演家庭伦理剧《我的儿子是奇葩》，在剧中饰演性格泼辣、对待爱情忠贞、坚强率真直爽的湘妹子何花 ；5月，在都市爱情剧《裸嫁时代》中，饰演痴情理性的女白领白杨；6月，在年代悬疑爱情剧《淑女之家》中，徐百慧饰演文艺女青年方琪；同年，她还与佟丽娅、王耀庆合作出演了医疗题材剧《产科医生》，并在剧中饰演背负着复杂身世背景的逗比女医生朱爱萍，她也因为该剧而与佟丽娅成为了很好的闺蜜 。

2015年，在都市情感剧《大好时光》中，饰演知性干练的海归会计师珊珊，胡歌初恋女友 ；随后，在电影《钱囧》中饰演女老板张嘉仪 ；8月，在李舒执导的军垦题材电视剧《大牧歌》中，饰演外表柔弱、内心坚强的上海姑娘许静芝，是一名支援新疆建设的医学院毕业高材生 ；同年，搭档张博主演知青情感剧《遥远的距离》，饰演善良、纯洁，如雪绒花一般的女知青苏扬，而这也是她与张博的第四次合作 。

2016年，徐百慧凭借电视剧《芈月传》获得第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖提名 。2月，出演于正担任制片人及编剧的民国玄幻爱情剧《半妖倾城》 ，饰演心地善良的半妖陶姑娘；4月，在习辛执导的暖心情感剧《我的仨妈俩爸》中，饰演正直善良的女知青白鸽 ；随后，在革命历史题材剧《热血军旗》中，友情出演蒋介石夫人宋美龄 ；10月，在网剧《大王不容易》中饰演年轻太后 。

2017年，徐百慧凭借电视剧《大好时光》荣获第13届电视剧南方盛典最受观众喜爱角色人物奖 ；3月，在王军执导的年代抗战剧《锻刀Ⅱ》中，饰演天资聪颖的大家闺秀曾文媛 ；5月，再次与王义明导演合作，与徐佳、林永健合作主演民国传奇剧《过河卒》，在剧中饰演三十年代的时髦上海女郎李素瑶 ；随后，在于正担当总制片人的清宫剧《延禧攻略》中 ，饰演善良正直的怡嫔 ；8月，与张国强搭档出演由真实人物事迹改编的电视剧《太行赤子李保国》，在剧中饰演李保国教授的妻子郭素萍 ；11月，在年代传奇剧《共产党人刘少奇》中，饰演刘少奇妻子王光美；12月，出演曹振宇执导的年代传奇剧《燕阳春》中，饰演侠女燕阳春 。

2018年，再次搭档李健领衔主演当代都市情感剧《一路上有你》 ，饰演拥有独立人格、勇于掌握自我命运的池小洁 ；随后，她在公安题材剧《第三警区》中，饰演年轻警探白小白 ；6月，在夏晓昀执导的电影《春天的马拉松》中，饰演村长夫人许纷飞 ；在革命历史题材剧《外交风云》中搭档刘恺威，饰演钱学森夫人蒋英；与此同时，她还完成了剧情片《喜盈代村》的拍摄 ；电视剧《太行赤子》开播，在剧中饰演李保国的妻子郭素萍，在“太行新愚公”背后给予其鼓励和支撑。 12月，徐百慧荣获第15届电视剧南方盛典年度影响力女演员 。

2019年，在大型话剧《耿飚将军》中饰演耿飚将军夫人赵兰香。 9月19日，主演的历史、外交题材电视剧《外交风云》播出 。

2020年6月，徐百慧搭档尹铸胜、何明翰、张睿等领衔主演了脱贫攻坚题材电视剧《金色索玛花》，她在剧中饰演第一书记万月，这也是她与欧阳奋强导演的二度合作 ；7月31日，参演的史诗古装剧《浣溪沙》在横店开机，剧中饰演深居后宫、善妒多疑的吴后 ；在黄克敏执导的现实题材电视剧《春风又绿江南》中饰演苏晓岚 ；10月18日，参演的电视剧《吉他兄弟》播出，剧中饰演林美心 ；11月29日，跨界嘉宾主持第七届“中国电视好演员奖” ；12月6日，主演的航天题材电视剧《大国飞天》在北京航天城大礼堂举行开机仪式，剧中饰演海归空气动力学家林青；在电影《红船》中饰演李励庄一角。 12月24日，由徐百慧领衔主演的电视剧《一路上有你》开播，她在剧中饰演女主角池小洁，面对家庭社会的重重压力仍然坚持守护爱情，被称中国版“朱丽叶”。

2021年1月8日，主演的电视剧《国家情怀》在金寨县正式杀青。 3月，在李路执导、根据梁晓声原著改编的史诗级电视剧《人世间》中饰演于虹。

2017年第13届电视剧南方盛典最受观众喜爱角色人物奖配图

2014年9月，徐百慧参加时尚芭莎慈善夜活动 ；随后，她还参加了“美丽童行-中国乡村儿童联合公益慈善夜”活动 。

2015年5月，徐百慧参加吉林省德惠市希望小学公益活动 ；9月，在北京奥林匹克森林公园参加爱心助跑慈善活动 。

2020年9月，徐百慧担任中国扶贫基金会人人公益爱心大使；12月，参加了轻松筹公益盛典，并获得“年度公益新力量”奖项。

徐百慧在电视剧《产科医生》中饰演反派人物朱爱萍，表现出高冷、物质的白衣女孩，让观众又恨又爱，虽然角色招人讨厌，但是演技却令观众点赞 。（新华网评）

徐百慧在戏剧中的“霸总”人设虽是网友调侃，但角色本身“我命由我不由天”的性格却是圈粉的现实内核。无论是万月迎难而上，百折不挠的扶贫攻坚热血故事，还是池小洁坚强果断，事业爱情兼顾不向命运妥协的励志人生，徐百慧都以自己精湛的演技诠释出了独立女性温柔而强大的力量。早前其在个人微博的几组港风照片飒爽十足，气场全开，原来演员自身的自信气质同魅力也与角色相辅相成，亦柔亦刚，实力圈粉。 （网易娱乐评）

对徐百慧来说，出演郭素萍让她既兴奋又带着压力，拍摄时带着满满的敬意去还原郭素萍的形象。而从观众的好评来看，徐百慧也确实做到了这一点，将郭素萍温婉大方，为丈夫、家庭支撑奉献的模范妻子形象生动细致地刻画出来。 （网易娱乐评）