En , Kim est annoncée comme le premier rôle féminin dans le film de Park Chan-wook, "Thirst, ceci est mon sang", dans un rôle qui nécessite de nombreuses scènes pour adultes avec sa co-star Song Kang-ho. Kim dit avoir appris aux côtés de Song, tandis que Park la félicite pour sa polyvalence qui montrent bien les différentes facettes de son personnage. "Thirst" se retrouve en en tête du box-office Sud-coréen lors de son premier week-end avec plus d'un million d'entrées, et est nominé lors du Festival de Cannes 2009 où il a remporté le Prix du Jury. Richard Corliss du "TIme", fait l'éloge de la performance de Kim dans un article : « C'est la belle Kim, à seulement , qui est la révélation ici. Elle peut jouer — non, elle peut être une créature de mute docilité, puis pleine d'ardeur, puis érotiquement explosive, puis intentionnellement meurtrière. Elle est Lady Chatterley et Lady Macbeth dans le même paquet ». Maggie Lee, de "The Hollywood Reporter", est plus critique : « La névrose aiguë de [Kim] est parfois agaçante, mais pour une nouvelle venue, elle reste dans son rôle dans chacune de ses transformations » alors que Kyu Hyun Kim de "OhmyNews" dit « Kim est incroyablement sexy à la fois en tant que ménagère fade et en tant que femme fatale, et se jette toute entière dans son rôle » mais la considère comme « un peu trop jeune et contemporaine » pour le rôle. Elle est co-récipiendaire du prix de la Meilleure Actrice lors du Festival international du film de Catalogne (partagé avec Elena Anaya pour "Hierro"), et reçoit de nouvelles nominations pour son rôle lors des Blue Dragon Film Awards, des Green Globe Film Awards, et des Baeksang Arts Awards.