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湯唯從小喜歡畫畫，她最早的志願是像父親那樣當個畫家。1982至1985年湯唯就讀於杭州市高銀巷幼兒園。1985至1991年，就讀於杭州市武林路小學。1992至1994年，就讀於深圳市紅嶺中學和杭州第十四中學。1994至1997年，就讀於杭州市五四職業高級中學。
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高中畢業後，湯唯在杭州的影視訓練班接受了一段時間的培訓，之後開始考中戲表演系，而一直在中戲旁租房居住的湯唯偶爾拍點廣告、打打零工。在中戲上學期間，湯唯參加了學校的社團活動和公益活動。戲劇策劃人袁鴻舉辦大學生戲劇節的時候，湯唯為了熟悉舞臺就去報名做義工。
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1998年，19歲的湯唯陪同學到文化經紀公司面試，結果湯唯卻被錄取；同年，湯唯參加中戲暑期表演培訓班時，有位指導老師建議她去考導演系。之後湯唯在一位導演系朋友的幫助下開始學習導演系基礎知識，以專業課第三的成績拿到了准考證，但文化課沒有通過。於是湯唯繼續復讀再參加高考，終於在2000年考入中央戲劇學院。
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2001年，湯唯在賴聲川的話劇《如夢之夢》中飾演五號病人的妻子。2004年湯唯參加了“環球小姐”選美比賽，獲得北京賽區第五名的成績；同年湯唯還出演了電視劇《後海前街》和《兄弟如手足》。2005年在袁鴻的推薦下，湯唯被楊婷選中出演話劇《切·格瓦拉》。
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2006年3月29日，湯唯主演的銀幕處女作《警花燕子》上映，她在片中飾演正義的女交警田燕，憑藉該片中的表現她獲得了第六屆電影頻道數字電影百合獎“優秀女演員”獎；同年，湯唯在都市情感劇《女人不哭》中飾演愛慕虛榮的物質女孩尚麗；6月李安導演公開為電影《色·戒》挑選女演員，湯唯被初步選中併到上海蔘加訓練，每天學習上海話、穿旗袍高跟鞋等。
