1911년 경기도 수원에서 출생한 김연실은 변사로 활동하는 오빠 김학근의 영향으로 플레이 텍 슬롯에 관심을 갖게 되었다. 가정형편이 어려워 학교를 중퇴한 김연실은 1927년 나운규프로덕션의 1회 작품인 「잘 있거라」에서 시골소녀 역할을 맡으며 플레이 텍 슬롯에 데뷔하였다. 같은 해 플레이 텍 슬롯계 스타였던 신일선이 심훈의 「먼동이 틀 때」(1927)를 마지막으로 플레이 텍 슬롯계를 은퇴하자 신일선을 대신해 그녀가 맡았던 배역들을 모두 김연실이 대신했다. 「세 동무(삼걸인)」(1928), 「바다와 싸우는 사람들」, 「승방비곡」(1930), 「임자 없는 나룻배」(1932), 「종로」(1933), 「청춘의 십자로」(1934) 등이 그녀의 대표작이다. 사회주의 사실주의의 촉매역할을 한 플레이 텍 슬롯로 평가받는 「화륜」(김유영 감독)에도 출연하였다.
김연실은 배우로서의 활동뿐 만 아니라 노래 실력이 뛰어나 「아리랑」의 ‘신아리랑’, 「세 동무」, 「암로」, 「장한몽가」 등의 플레이 텍 슬롯주제가를 부르고 대중가요의 레코드를 취입하기도 했다.
해방 후 경향신문 사회부 기자로 활동하며 좌익 활동에 참여한 남편 김혜일의 영향으로 함께 월북하였다. 월북 후 김혜일은 조선예술플레이 텍 슬롯촬영소 미술가로 활동하고 김연실은 조선예술플레이 텍 슬롯촬영소 배우로 소속되어 연극 및 플레이 텍 슬롯에 출연하였다. 김연실이 북한에서 출연한 작품은 「정찰병」(1953), 「처녀 리발사」(1970), 「아름다운 거리」(1970), 북한의 코미디플레이 텍 슬롯의 대표작인 「잔칫날 (도시편)」(1974) 그리고 납북된 신상옥 감독이 연출한 작품 「탈출기」(1984)와 한국의 텔레비전에서 방영한 바 있는 「림꺽정」(1987~1989)이다.
1977년 인민배우의 반열에 올랐고, 「탈출기」(1984), 「림꺽정」등에서 노년의 모습을 확인할 수 있다. 1997년 8월 사망하였는데, 한국에서 플레이 텍 슬롯촬영기사로 활동한 김학성이 김연실의 친동생이다.
1977년 인민배우 칭호를 수여받았으며 국기훈장 1급을 받았다.