2000年1月9日,12岁的长泽雅美从35153位参赛者中脱颖而出,获得了东宝公司主办的第五回“东宝灰姑娘”选拔赛最优秀奖;同年,凭借科幻悬疑电影《走火入魔》进入演艺圈。
2001年,长泽雅美成为青少年杂志《pichilemon》的专属模特。2002年4月27日,参演的爱情电影《残雪》上映;11月,出演的奇幻爱情电影《黄泉归来》首映。
2003年9月13日,与小栗旬、伊藤淳史、冢本高史等共同主演的喜剧电影《机器人竞赛》上映,这是其首次担任主演,并凭借该片获得了第27届日本电影学院奖新人奖;11月3日,出演的科幻动作片《哥斯拉X摩斯拉X机械哥斯拉:东京SOS》上映。
2004年5月8日,与大泽隆夫、柴崎幸、森山未来等联袂出演的纯爱电影《在世界中心呼唤爱》上映,长泽雅美在片中饰演不幸患了急性白血病的美少女“广濑亚纪”,凭借该角色获得了第28届日本电影学院奖、第47届日本电影蓝丝带奖最佳女配角奖、、;12月4日,出演的科幻动作片《哥斯拉:终极战役》上映。
2005年1月13日,与寺尾聪、二宫和也联合出演的爱情伦理剧《温柔时刻》首播,长泽雅美饰演单纯漂亮的咖啡厅店员“皆川梓”;7月8日,与阿部宽、长谷川京子、山下智久等共同出演的校园励志剧《龙樱》播出,长泽雅美饰演总是没有自信的高三学生“水野直美”;9月10日,与齐藤庆太、齐藤祥太领衔主演的爱情体育片《棒球英豪》上映,长泽雅美饰演性格开朗率真的邻家女孩“浅仓南”;12月31日,以评委身份参加第56届NHK红白歌合战。
2006年1月8日,由仲间由纪惠、上川隆也、松本明子等主演的古装剧《功名十字路》首播,长泽雅美在剧中饰演玩弄一丰的甲贺忍者“小铃”;8月26日,与速水重道、阿部力等联袂主演的爱情体育片《我爱芳邻》首映;9月30日,搭档妻夫木聪主演的爱情电影《泪光闪闪》在日本上映,长泽雅美凭借该片获得了第30届日本电影学院奖最佳女主角提名;10月13日,与小泉今日子、堤真一等联合出演的动作剧《水手服与机关枪》首播,长泽雅美除了出演女主角外,还以剧中角色“星泉”的名义发表了同名主题歌。
2007年4月16日,与山下智久领衔主演的爱情剧《求婚大作战》首播,长泽雅美饰演热血爽朗的女孩“吉田礼”;6月2日,与山田孝之、冢本高史、国仲凉子等共同主演的爱情电影《等待,只为与你相遇》首映,长泽雅美出演患有“绝症”的退休模特“森川铃音”;10月5日,为名古屋电视台45周年台庆拍摄的SP剧《在恒河游蝶泳》播出;10月14日,与明石家秋刀鱼、冢本高史、小泉今日子等联袂出演的爱情剧《二十岁恋人》首播。
2008年3月25日,主演的SP剧《求婚大作战SP》播出;4月10日,与上野树里、瑛太等联合出演的社会伦理剧《最后的朋友》首播,长泽雅美在剧中饰演开朗但优柔寡断的“蓝田美知留”;5月10日,与松本润、阿部宽、椎名桔平合作出演的古装动作片《暗堡里的三恶人》上映,长泽雅美扮演秋月国的公主“雪姬”;8月10日,参与配音的动画短片《回忆积木小屋》上映;10月31日,领衔主演的科幻单元剧《藤子?F?不二雄的ParallelSpace》首播。
2009年1月4日,与妻夫木聪、北村一辉、常盘贵子等共同出演的古装剧《天地人》播出,长泽雅美在剧中饰演有着看透世间形势、决定应该跟从谁能力的忍者“初音”;1月12日,主演的SP剧《原来你已不在身边》播出;4月19日,搭档小田切让主演的情感剧《我的妹妹》首播,长泽雅美饰演生活精明、读书不灵的女孩“江上飒”;同年作为“日本放送”电台55周年台庆形象大使,连续6月登上电台刊物《IAM1242》封面;6月27日,与佐佐木藏之介、福士诚治、良知真次等联袂出演的爱情电影《群青》上映;11月21日,与三宅弘城、诹访雅等领衔主演的喜剧电影《弯曲吧!汤匙》上映,长泽雅美扮演坚信存在超能力者的综艺节目助理“樱井米”。
2010年3月1日,参与拍摄的TBS特别剧《毕业之歌》首播,长泽雅美主演第四集《毕业写真》主题;4月9日,出演的富士台台庆剧《我家的历史》播出;7月8日,由天海佑希领衔主演的电视剧《GOLD》播出,长泽雅美在剧中饰演除了灵感特别强以外,几乎没有一技之长的“新仓里佳”。
2011年5月7日,与小栗旬、佐佐木藏之介、渡部笃郎等合作主演的剧情片《岳:冰峰救援》上映,长泽雅美饰演北部警察署山岳救助队配备的新人“椎名久美”,凭借该角色获得了第54届日本电影蓝丝带奖最佳女主角提名、;6月11日,出演的剧情片《奇迹》在日本上映;7月16日,由宫崎吾郎执导的动画电影《来自虞美人之坡》上映,长泽雅美为女主角松崎海配音;8月5日,主演的舞台剧《CRAZYHONEY》首演,这是长泽雅美首次出演舞台剧;9月23日,与森山未来、麻生久美子、仲里依纱等共同出演的爱情喜剧片《桃花期》上映,长泽雅美饰演拥有杀必死级可爱笑容的杂志编辑“松尾美由纪”,由此获得了第54届日本电影蓝丝带奖最佳女配角奖,并入围了第35届日本电影学院奖最佳女主角奖。
2012年2月12日,领衔主演的悬疑剧《分身》开播,长泽雅美在剧中一人分饰两角,分别饰演学习儿童福利相关知识的“氏家鞠子”和业余乐团主唱“小林双叶”;4月13日,与沟端淳平、竹中直人等联袂出演的侦探剧《都市传说之女》播出,长泽雅美出演拥有不可思议魅力的美丽刑警“音无月子”,凭借该角色获得第73届日剧学院赏最佳女主角奖;10月6日,主演的校园悬疑爱情剧《高校入试》首播,长泽雅美饰演敢说敢做、深得学生爱戴的老师“春山杏子”。
2013年7月8日,参演的爱情剧《SUMMERNUDE》首播;10月11日,主演的侦探剧《都市传说之女第二季》播出;10月26日,搭档冈田将生主演的纯爱电影《纯净脆弱的心》上映。
2014年1月10日,与蓝正龙、马如龙领衔主演的偶像剧《流氓蛋糕店》播出;5月,与染谷将太、伊藤英明合作出演的喜剧电影《哪啊哪啊神去村》上映,长泽雅美饰演感情受过创伤故而更多地显现出男性气质的干练女孩“石井直纪”;12月2日,与章子怡、金城武、黄晓明等联袂出演的灾难爱情片《太平轮(上)》上映。
2015年6月13日,与绫濑遥、夏帆、广濑丝丝领衔主演的剧情片《海街日记》在日本上映,长泽雅美饰演洒脱独立、喜欢喝酒的二姐“香田佳乃”,凭借该角色获得了第70届每日电影大奖最佳女配角奖,并入围了第39届日本电影学院奖最佳女配角奖;7月30日,主演的灾难爱情片《太平轮·彼岸》上映。
2016年1月10日,与堺雅人、大泉洋、黑木华等联合出演的古装剧《真田丸》开播,长泽雅美在剧中饰演真田信繁的人生伴侣“阿桐”;4月23日,长泽雅美与大泉洋、有村架纯等共同出演的惊悚电影《请叫我英雄》上映,她饰演保持人性善良的护士“小田贡”;8月26日,参与配音的动画电影《你的名字。》在日本上映;10月8日,与中井贵一、志田未来、时任三郎等合作出演的喜剧电影《早安秀》上映,长泽雅美扮演性格激烈又单纯的美女主持人“小川圭子”。
2017年1月,主演的音乐剧《小酒馆》首演,这是长泽雅美首次出演音乐剧,她在剧中饰演女主角“萨莉”;1月3日,出演的SP剧《献给你的徽章》首播,长泽雅美饰演天才足球运动员的未婚妻“仲川未希”;1月6日,与山田孝之合作出演的电视剧《山田孝之的戛纳电影节》播出,长泽雅美在剧中本色出演并担任旁白;5月6日,与小栗旬、柄本佑、安藤樱等联合出演的剧情片《追忆》上映;5月21日,与长谷川博己、松田龙平联袂主演的科幻悬疑片《散步的侵略者》首映,长泽雅美饰演因丈夫的奇怪言行饱受冲击的妻子“加濑鸣海”,由此获得了第72届日本每日映画大奖最佳女主角奖;7月14日,与小栗旬、菅田将晖、桥本环奈等共同出演的喜剧片《银魂》上映,长泽雅美在片中饰演为重建道场而努力赚钱的“志村妙”。
2018年1月20日,搭档高桥一生主演的悬疑电影《爱上谎言的女人》上映,长泽雅美饰演工作能力强的职业女性“川原由加利”;3月3日,参与配音的动画电影《哆啦A梦:大雄的金银岛》上映,长泽雅美为船长大泉洋的妻子“菲奥娜”配音;4月9日,主演的悬疑喜剧《行骗天下JP》首播,长泽雅美饰演拥有天才的智慧及出色集中力的诈欺师领导人“达子”,凭借该剧获得第12届“CONFiDENCE日剧大奖”最佳女主角和第97届日剧学院奖最佳女主角奖。6月1日,与山田孝之主演的爱情电影《初吻50次》上映,长泽雅美扮演因为事故每天都会失忆的美丽女子藤岛瑠依。继续参演漫改电影《银魂2》。参演漫改电影《死神》。
2019年,主演电影《行骗天下JP:浪漫篇》。在改编自东野圭吾同名小说的悬疑电影《假面饭店》中饰演酒店前台山岸尚美。凭借《假面饭店》、《行骗天下JP》,她获得了第44届报知电影奖最佳女主角奖。在真人漫改电影《王者天下》中饰演杨端和;8月,在电影《新奥特曼》中饰演“对抗巨大生物”组织的成员。
2020年1月25日,参演的中国电影《唐人街探案3》上映;5月1日,她主演的电影《行骗天下JP:公主篇》上映;7月,其主演的电视剧《龙樱》续篇播出,在剧中饰演重回母校的老师。同年,主演大森立嗣执导电影《母亲》。
2021年,主演的翻拍自1966年原版《奥特曼》的电影《新·奥特曼》上映。