고아성이라는 이름은 그녀의 아버지가 대한민국 최초의 인공위성인 우리별 1호 발사에 관한 텔레비전 뉴스에서 영감을 받아 지은 것이라고 한다.[1]
고아성은 6살 때인 1997년 길거리 캐스팅을 통해 외환카드 광고 아역 모델로 연예계 데뷔했다.[2] 이후 그녀는 2004년 어린이 드라마 《울라불라 블루짱》의 타이틀롤을 맡아 배우로서 정식 데뷔했다. 2006년 봉준호 감독의 영화 《괴물》에서 박강두(송강호)의 딸 역을 연기하며 이름을 알렸다. 그녀의 연기는 평단의 호평을 받아 대한민국영화연기대상 영스타상, 청룡영화상 신인여우상, 디렉터스 컷 시상식 올해의 신인연기자상을 수상하였다.
2015년 SBS 드라마 《풍문으로 들었소》로 브라운관에 복귀한 고아성은 성인 연기자로 변신에 성공했고, 백상예술대상 TV부문 여자 신인연기상 등을 수상하는 쾌거를 이뤘다. 2017년 MBC 드라마 《자체발광 오피스》으로 드라마 첫 주연을 맡았다.[3]