1988년 충청남도 대전시중구에서[1] 당시 한국 프로 야구팀 빙그레 이글스의 선수로 활약하던 김성갑의 2녀 중 차녀로 태어났다. 1991년 아버지가 태평양 돌핀스로 이적하면서 인천직할시남동구로 이주하여 자랐다. 형제로는 3살 위의 언니 김유나가 있다.[2] 유이는 어렸을 적부터 운동을 잘했는데, 특히 수영을 4년동안 배웠고 창작무용도 배웠다.[3] 유이는 데뷔 전 아버지가 넥센 히어로즈 작전, 주루 코치였기 때문에 야구 경기 때 목동야구장에 응원차 갔었는데, 아나운서가 김성갑 코치의 딸이라고 소개하여 대중들에게는 목동녀라고 알려지게 됐다.[4]
원래 굿엔터테인먼트에서 유빈, 전효성, G.NA, 양지원과 함께 오소녀로 데뷔할 예정이었다.[5] 하지만 오소녀는 소속사의 재정 문제로 인해 데뷔가 무산되었다. 2008년 《스타의 친구를 소개합니다》에 유빈의 친구로 출연했는데, 당시 문근영, 소희를 닮았다 하여 대중들에게 관심을 받았다.[6]
2012년 7월 1일 영등포 타임스퀘어 핫트랙스 팬사인회에서 유이.
유이는 2009년에 애프터스쿨의 6번째 멤버로 새로이 입학하면서 연예계에 정식 데뷔했다. 디지털 싱글인 "DIVA"로 애프터스쿨에 합류하여 활동했다. 드라마 《선덕여왕》에서 미실 아역으로 캐스팅되었고, 《미남이시네요》에서 유헤이라는 악역을 맡았다. 꿀벅지라는 신조어를 대중들에게 알리게 되면서 꿀벅지 열풍이 불었다. 스타들만 찍는다던 애니콜 광고에서는 4Tomorrow라는 프로젝트 그룹으로도 합류했고, 롯데주류 광고 등 새로운 광고 블루칩으로 떠올랐다.[7] 예능에서는 MBC우리 결혼했어요에서 가상커플로 활동했다. 이후 세바퀴, 놀라운 대회 스타킹 등 예능에 출연하였다. 2009년 MBC 연예대상에서 버라이어티부문 신인상을 받았다. 이렇게 유이는 반년도 지나지 않은 채 각종 예능, 드라마, CF 등을 넘나들며 톱스타의 반열에 올랐고 입지를 다졌다.
2010년에는 애프터스쿨 세 번째 싱글 Bang!을 발매한 후 활동했으나, 드라마 촬영을 위해 초반에만 활동했다.
2011년 8월 6일부터 방영된 KBS 2TV의 드라마《오작교 형제들》에 주인공 백자은 역으로 출연하였다.[9] 또한 비슷한 시기 케이블에서 방영된 《버디버디》에서도 주연 성미수 역으로 출연했다. 2012년 11월부터 2013년 2월까지는 KBS2의 드라마 《전우치》에 주인공 홍무연 역으로 출연했다. 2013년 11월부터는 황금 무지개에 출연했다.
2011년에 KBS 《뮤직뱅크》에서 김민지가 하차하면서 임시로 MC를 3주 동안 맡았다. 2012년 1월부터 2013년 3월까지 이장우와 함께 《뮤직뱅크》의 MC를 맡아 진행하였다.
2016년 4월 3일 배우 이상윤과의 열애설을 인정하였다. 양 측에 소속사는 2016년 초 한 모임에서 만나, 호감을 느껴 서로 연락해 교재를 시작하였다고 밝혔다.[10]
2017년 5월 31일 플레디스와 계약 종료 후 애프터스쿨을 여섯 번째로 졸업하고[11], 열음엔터테인먼트로 소속사를 옮겼다.
유이는 데뷔하자마자 각종 CF, 드라마, 예능 등을 섭렵하며 2009년 가장 성공한 스타, '유이 신드롬'이라는 기사까지 뜨는 등 큰 관심을 받았다.[12] 원조 글래머 스타라고 불리는 대한민국의 배우 한채영은 건강함과 섹시함을 모두 가진 몸매라며 유이를 자신의 후계자로 뽑기도 하였다.[13] 또한 연예인들의 CF 모델값을 조사한 결과 유이는 단일 모델료만 4여억 원으로 차세대 CF 스타로 인정받고 있다.[14] 유이는 꿀벅지에 이어 베이글녀로도 각광을 받았는데, 전문의가 정한 베이글녀 순위 중 신민아에 이어 2위를 차지했다.[15]
2009년 방영되었던 MBC 《선덕여왕》에서 어린 미실 역으로 나와 기대 이상의 연기력으로 시청자들에게 호평을 받았다.[16] 《미남이시네요》에서는 데뷔 이후 처음으로 악역을 맡아 호평을 들었다.[17]
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