2000年，任家萱报名参加了《宇宙2000实力美少女选拔赛》，最终获得第一名。之后，她与参赛队员田馥甄、陈嘉桦共同签约华研国际音乐，并组成S.H.E组合，公司为任家萱起名Selina为艺名。
2001年9月11日，S.H.E正式出道，却因为美国911事件一度被媒体忽略，且出道前普遍不被外界看好。三人在努力后才开始获得外界关注，她们的演艺之路这才开始延续下去。9月11日，正式发行首张专辑《女生宿舍》不到一周，台湾突破五万张，最后在台湾的销量达16万张，在全亚洲累计销售75万张，在各大歌曲排行榜位居女子组合新人冠军，并于同年主演台湾偶像剧《爱情大魔咒》。
2002年，S.H.E组合演唱的《青春株式会社》列入台湾民生报年度十大专辑，该年度台湾组合销量冠军，销量突破28万张，成为台湾女子组合销售冠军，并首度前往内地、新马地区宣传，并在8月推出第三张专辑《美丽新世界》。
2003年1月23日，S.H.E的第一张精选辑《Together》发行，专辑中收录了《恋人未满》、《Remember》、《热带雨林》、《美丽新世界》等12首代表曲。
2004年，任家萱在台北师大公民教育与活动领导学系毕业，并取得了同校设计研究所硕士学位。在毕业典礼上，她应邀代表毕业生领唱校歌，并被校长授予“诚正奖章”，嘉许任家萱身为学生艺人的优良典范。
S.H.E的第八张专辑《不想长大》于2005年11月发行，直到这张专辑S.H.E连续5年入围金曲奖。
2007年4月13日，S.H.E为专辑《PLAY》拍摄封套。这张专辑首次收录三人创作的作品，包括Ella作曲、任家萱填词的《老婆》，以及Hebe作词的《说你爱我》。
2010年3月30日，S.H.E表示单飞不解散。6月23日，任家萱和中视《我猜我猜我猜猜猜》节目签约一季，担任主持人。除了接下主持工作外，她接下湖南卫视新剧《我和春天有个约会》，担任该剧主要角色;10月17日，该剧在上海开机;10月22日，任家萱与内地演员俞灏明在拍摄一场爆破戏时遭遇意外，造成两人身上均有不同程度的烧伤。
2011年1月19日，拍戏烧伤的任家萱出院。之后，她返家休养，暂停一切演艺活动，也开始了复健运动，所属团体S.H.E的演艺活动由Hebe、Ella进行;10月，她录制《爱我的每个人》;12月16日，任家萱发行了自己的首张EP《重作一个梦》，EP中收录的三首新歌分别以过去、现在、未来的时态概念，纪录任家萱受伤之后的心路历程。
2012年3月27日，任家萱为代言化妆品牌出席宣传活动，正式宣布复出。同年6月23日，第23届台湾金曲奖颁奖典礼在台北小巨蛋举行拉开帷幕。任家萱再度回归舞台。
2013年4月1日，任家萱主持的综艺节目《小宇宙33号》正式播出。同年9月，任家萱凭借《小宇宙33号》入围第48届金钟奖综艺类节目主持人奖。
2014年，任家萱参加了天津卫视明星体验真人秀《囍从天降》，在高清镜头的近距离拍摄下，任家萱手臂上的伤疤清晰可见，面部更是显得有些坑洼。在曝光剧照中，任家萱穿着胶皮鞋在围网扑鱼，白色T恤上沾满了泥巴，但是右手臂上的一条约40公分长的伤疤依旧“抢镜”，可能是因为泡了海水的缘故，伤疤有些红肿。因为要随同当地村民一起干农活，任家萱没有穿弹力衣，手部和双臂都布满了大大小小的烧伤痕迹。
2015年1月9日，任家萱发行个人首张音乐专辑《3.1415》，主打曲为《看我的》;3月，任家萱首次加盟《超级战队》 ;4月，破例客串偶像剧《听见幸福》 ;4月26日 首次参加NikeNike Women's Half Marathon - Taipei 21公里女子半程马拉松赛——台北站，在皮肤汗腺受损身体不能正常排汗的情况下，以2小时34分的成绩完赛，在长跑照片曝光后24小时内获得17万网友点赞 ;5月，加盟东方卫视真人秀节目《我去上学啦》，并演唱主题曲《重返十七岁》;5月，为电影《少年班》演唱主题曲《你曾是少年》 ;5月，代班《康熙来了》 ;6月，加盟浙江卫视《中国梦想秀》;6月，接下年代MUCH养生节目《别让身体不开心》主持棒 ;10月，登上2015《嘉人》银十素颜主题封面，成为台湾首个登上内地五大杂志封面的歌手;10月，参与2015法国3D动画电影《小王子》 国语台版 玫瑰配音 ;10月18日，时隔半年第二次参加Nike Nike Women's Half Marathon - San Francisco 21公里女子半程马拉松赛——旧金山站;11月1日，参加2015热波电跑南京站。
