2001年9月，與宮崎葵合作主演鹽田明彥執導的劇情影片《害蟲》，飾演Natsuko；同年，再與葵合主演青春愛情片《藍與白形成的蔚藍色》 ??；因具有獨特的清新氣質的她，被巖井俊二導演安排出演驚悚犯罪電影《關于莉莉周的一切》中飾演一位被強迫援助交際的少女 ??。
2004年，與鈴木杏主演巖井俊導演的青春喜劇片《花與愛麗絲》大受好評，并榮獲第14屆日本電影專業獎最佳女主角獎，在韓國倍受歡迎而積攢了大量人氣 ??。
2006年10月，與市原隼人、上野樹里合作出演愛情電影《彩虹女神》，飾演佐藤加奈 ??；同年，擔任邁克爾·艾里亞斯導演的動畫電影《惡童》的主要角色配音；9月，與松雪泰子合作出演由韓裔日本導演李相執導改編自真實故事劇情片《扶桑花女孩》，飾演谷川紀美子 ??，憑在片中出色的演技，而廣受各界好評，并獲得了2007年的第30屆日本電影學院獎最佳女配角和最佳新人獎 ??。
2007年，與小田切讓合作主演奇幻影片《蟲師》，4月24日在第20屆DVD資料大獎中獲得了最佳藝人獎 ??；同年，與內田有紀等演員合作出演電影《歡迎來到隔離病房》，在片中飾演有厭食癥患者美紀 ??。
2008年1月，主演劇情片《蒼井優X4個謊言》，該劇總12集共4個故事，分別由四名編劇操刀，所有故事獨立成立且蒼井優要在每個故事中扮演不同的人物 ??；同年，出演愛情喜影片《不要嘲笑我們的性》，飾演小遠 ??；4月，在喜劇電視劇《料理仙姬》中主演一升庵的女老板半田仙 ??；7月，主演喜劇影片《百萬元與苦蟲女》她飾演一位“賺夠一百萬就離開”的平凡女孩，笑顏中帶著些許苦澀，獨身前往海邊、深山、城市，遇見很多人經歷很多事，最終解開心中的困惑，得到成長。 ??；8月，出演由法日韓三方共同合作的喜劇奇幻電影《東京!Tokyo!》 ??。
2009年，為動畫電影《小池與我》中虛擬小寵物“小池”配音 ??。2010年1月，出演劇情片《弟弟》，飾演高野小春 ??；同年，參演以“日本女性之美”為主題的愛情電影《花》 ??；10月，與岡田將生合作主演古裝愛情影片《雷櫻》，飾演雷 ??；同年，與木村拓哉擔任動畫電影《紅線》的主要角色配音 ??。
2011年，與江口洋介主演愛情喜劇電影《街角洋果子店》 ??；3月31日，與妻夫木聰首次合作主演舞臺劇《向南方》導演是舞臺劇作家野田秀樹 ??；9月15日，參演巖井俊執導、凱文·席格斯主演的劇情影片《吸血鬼》，扮演一名留學生MINA，影片是以加拿大為舞臺背景拍攝的純愛物語 ??；10月15日，主演小松真弓執導的劇情影片《偶然》中扮演的主人公在美麗的愛爾蘭旅行途中，與各種“偶然”相遇，在各種故事中聽憑命運的安排，邁向前方的路 ??。
2012年，出演由佐藤健主演、改編自同名人氣漫畫的電影《浪客劍心》，在片子中扮演高荷惠一角 ??。2013年1月，與妻夫木聰等演員合作主演山田洋次執導的家庭影片《東京家族》，該片翻拍自1953年版小津安二郎導演的電影《東京物語》 ??；并獲得了2014年的第37屆日本電影學院獎和第8屆亞洲電影大獎的佳女配角獎的提名 。
2014年，與妻夫木聰、瑛太等演員合作出演家庭劇《年輕人們2014》 ??；與松山健一主演劇情影片《背負春天》 ??。2015年2月，搭檔鈴木杏為動畫電影《花與愛麗絲殺人事件》配音 ??；3月，參演堺雅人主演的醫療情感電視劇《Dr.倫太郎》，飾演讓倫太郎陷入愛戀的新橋NO.1“藝妓”相澤明良 ??。
2016年3月，與橋爪功、吉行和子、妻夫木聰等演員合作主演家庭喜劇影片《家族之苦》，是一部以結婚五十年的老夫妻離婚騷動為主線，描寫家人因為他們而困惑的現代喜劇 ??；同年，與浦井健治主演舞臺劇《可憐她是個娼婦》，于6月8日至26日在東京新國立劇場中劇場上演 ??；9月，與小田切讓合作主演劇情影片《跨越柵欄》 ??；12月，主演懸疑影片《安曇春子下落不明》，劇情使用時間交錯起來的表達方式，描繪了現代女性的生存現狀 。
2017年，與洼田正孝，清水富美加等演員合作出演漫畫改編的真人版電影《東京食尸鬼》，飾演一位兇殘的女食尸鬼神代利世 ??，這個反派角色，和她以往的文藝女青年形象也有很大不同 ??；夏季，再度出演由山田洋次執導的家庭喜劇電影《家族之苦》的續集，影片主題從熟年離婚變成了“無緣社會” ??；10月14日，出演的由櫻井翔主演的電視劇《不過是先出生的我》播出 ??；10月28日，主演的影片《她不知道名字的那些鳥兒》上映，憑借該片獲得第42屆報知電影獎最佳女主角 ??、第91屆日本電影旬報獎最佳女主角 ??。
2018年4月，出演群星爵士組合首張專輯MV《化妝室》 ??；9月7日，她與池松壯亮共同主演的電影《斬、》上映 ??。
2019年5月31日，其出演的由中野量太執導的電影《漫長的告別》上映 ??；5月17日，她擔任配音的動畫電影《企鵝公路》上映 ??；6月7日，她參與配音的長篇動畫電影《海獸之子》上映 ??；同年，與池松壯亮共同主演電影《從宮本到你》 ??。
2020年1月24日，她與高橋一生合作主演的電影《浪漫娃娃》上映 ??；同年，其主演的由黑澤清執導的NHK電視臺特別劇《特工之妻》播出 ??。
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