1997年8月，在“第7届全日本国民美少女比赛”中获得审查员特别奖。1999年，作为4人组合Z-1的成员出道。

2000年，通过出演电视剧《拭去泪水》开启演员生涯。2001年，在《3年B组金八先生第六季》中，因饰演患有性别焦虑症的学生鹤本直而受到关注。2002年，停止了有关Z-1的音乐活动，并在8月推出个人首张单曲《Pureness》，开始了以个人身份在音乐方面的发展。

2003年3月，发行首张录音室专辑《AYAUETO》。5月10日，主演其个人首部电影《少女杀手阿墨》，饰演女武士阿墨，并凭借该片获得第13届日本电影评论家大奖的新人奖，以及第27届日本电影学院奖的优秀女演员奖和新人演员奖。7月，在电视剧《献给一个夏天的爸爸》中首次担任主演。

2004年1月，主演电视剧《网球甜心》，并凭借该片获得第40届日剧学院奖的女主角奖。9月，主演该剧的特别篇《网球甜心~通往奇迹的挑战~》。12月25日，主演电影《竞赛迪纳员》；并于同年年底在第55届NHK红白歌合战中首次登场。2005年2月，主演根据川端康成获诺贝尔文学奖的同名小说改编的电视剧《古都》，并在剧中一人分饰两角。3月12日，继续主演电影《少女杀手阿墨2：爱与死》。4月，主演改编自浦野千贺子所著同名漫画的电视剧《排球女将》。

2006年2月，在电视剧《折翼的天使们》的第一部分“名媛”中担当主演。4月，主演富士电视台电视剧《甜心空姐》，剧中饰演空姐美咲洋子。7月，主演电视剧《下北Sundays》。

2007年2月，主演改编自李香兰（山口淑子）所著《李香兰自传》的东京电视台电视剧《李香兰》，剧中饰演李香兰。4月，主演改编自2001年韩国同名电视剧的剧集《情定大饭店》。9月，主演TBS电视台剧集《轮违屋系里~女人们的新撰组~》。10月，在其主演的电视剧《我的野蛮老妈》中，饰演母亲早亡的单亲少女川野鲇。

2008年4月，主演改编自同名漫画的电视剧《热血律师》。10月，主演爱情电视剧《公主与穷太郎》，剧中饰演富家女美田园爱丽丝。2009年4月，出演中居正广主演的富士台电视剧《结婚万岁》。6月发行第16张单曲《Smile for.../もう一度だけ》。

2010年4月，主演推理悬疑剧《绝对零度》，该剧首集就刷新了她自《甜心空姐》之后主演日剧的首集最高收视率18%。8月，主演爱情剧《十年后我依然爱你》，9月，主演电视剧特别篇《爱能看见~寄宿在盲夫妻的小生命~》。同年9月，日本日经杂志公布广告界身价最高的女演员，上户彩以441万日元排名第一。年底公布的广告代言数量连续3年排在第一。10月，出演竹野内丰主演的电视剧《流星》，并凭借该剧获得第67届日剧学院奖的女配角奖。

2011年7月，主演电视剧特别篇《绝对零度~未解决事件待命搜查~特别篇》以及正剧《绝对零度～特殊犯罪潜入捜査～》。2012年7月，主演电视剧《金子美铃物语~大家都不同，大家都很好~》。2013年1月，与饭岛直子共同主演电视剧《阳光照耀的未来》，7月，在电视剧《半泽直树》中饰演男主角半泽直树的妻子半泽花，该剧的平均收视率为2013年全日本电视节目平均收视率第二名。10月12日，主演电影《阿信》，饰演滨田心音的母亲。12月14日，主演的电影《武士的菜单》在日本首映。

2014年4月，在电视剧《阳光照耀的未来特别篇》中继续担任主演。7月，主演电视剧《昼颜》，该剧凭借13.9%的平均收视率获得好评。2015年4月，出演木村拓哉主演的电视剧《I'm Home》，剧中饰演木村的妻子家路惠。

2016年4月23日，担任动画电影《疯狂动物城》日语版中主角兔朱迪的配音。2017年6月10日，与斋藤工共演的电影版《昼颜》公映。2018年3月，与竹野内丰共同主演东京台建台纪念电视剧《午夜日志：追查消失的绑匪！第七年的真相》。4月，在动画片柯南的剧场版《名侦探柯南：零之执行人》中，为律师橘境子配音。同年，参与拍摄电视剧《热爱太阳的人~1964那天的残奥会~》。

2019年，参演3月26日播出的关西电视台开局60周年特别剧《我一笑》，在剧中饰演铃木诚子。同年，为电影《沉睡魔咒2》日文版中的爱洛公主配音。

2020年，时隔七年继续出演TBS日剧《半泽直树2》。