2004年8月，福田沙纪从10万1192人中脱颖而出，在第10届全日本国民美少女大赛中获得演技部门奖，并由此进入艺能界；随后接拍校园剧《3年B组金八先生第7季》作为演员出道，在剧中饰演女学生麻田玲子。
2005年5月18日，发行单曲《AttackNO.1》作为歌手出道，该曲还成为了日剧《排球女将》的主题曲；11月，参演相武纱季主演的温情日剧《Don'tMind》，扮演因事故而失去一条腿的少女佐竹百合；12月14日，发行个人的第三张单曲《幸せのテレパシー》，该曲作为福田沙纪配音的电影《甲虫王者ムシキンググレイテストチャンピオンへの道》的主题曲；12月30日，《3年B组金八先生第7季》的SP在TBS电视台播出。
2006年7月，福田沙纪在与米仓凉子、石田纯一、松下由树联袂出演情感伦理剧《不忠实的时刻》中饰演梦想成为歌手的个性少女伊藤真弓；11月23日，与丸山隆平、安田章大、涉谷飞鸟合作出演的SP特别剧《自行车少年记》在日本播出。
2007年1月，参演二宫和也主演的温情治愈日剧《敬启，父亲大人》，饰演性格自由奔放的女高中生坂下绘理；6月，在与北乃纪伊、细田义彦、关惠美联袂出演的漫改校园剧《人生》中扮演了霸道、以欺凌女主角椎叶步为乐的女学生安西爱海，凭借在该剧里的表现获得第54届日剧学院赏最佳女配角。
2008年1月，出演了香里奈主演的温情日剧《我最喜欢你!!》；2月，与长谷川纯、内博贵、谷村美月联合出演了青春校园剧《化作一瞬的风》；11月8日，首次担任主演的漫改电影《樱之园》在日本首映，在片中饰演自幼学习小提琴的少女结城桃，并凭借该片获得了第32届日本电影学院赏新人演员奖，该片还作为了第21届东京电影节特别招待片。
2009年2月17日福田沙纪从堀越高等学校毕业；3月7日，与樱井翔、深田恭子联合出演的科幻动作片《小双侠》在日本上映；4月，主演的玄幻日剧《幽灵朋友》在NHK电视台首播，在片中饰演能和幽灵交流的女高中生神谷明日香；6月，担任改编自早见裕司所著同名小说改编剧的喜剧《女仆刑警》的主演，扮演海堂家的优秀女仆若槻葵；8月12日，在东京都文京区的花园舞台，为自己主演的日剧《女仆刑警》演唱的插曲《明日之光》举行了发售纪念活动；9月12日，参演的时代电影《火天之城》在日本首映。
2010年1月24日，参与了电台节目《福田沙纪和柳田理科雄的广播空想科学研究所》的公开录音活动；3月3日，发行了个人的第二张专辑《VOICE》；6月28日，出席了舞台剧《椿跳跃时空》在东京日本桥滨町的明治座内举行的制作发布会；7月，搭档小泉孝太郎联袂主演爱情网络剧《秘密关系~老师是同居人~》，二人在剧中上演了一段禁忌师生恋；10月，在户田惠梨香主演的悬疑日剧《SPEC》中饰演拥有心灵占卜术的超能力持有者志村美铃；12月8日，发售新单曲《SnowRain》，此曲并作为她本人出演的夏普手机广告歌曲，这同时也是她自己的歌曲首次被当做出演广告曲播出。
2011年1月，搭档歌手松下优也接拍TBS电视台深夜剧《四重奏》，饰演一个全身纹身的遗孤三代；1月28日，与AKB48成员大岛优子一起获得第五届“婚礼珠宝公主”大奖；4月2日，主演的根据作家森泽明夫的同名小说改编的温情电影《津轻百年食堂》在日本首映；4月7日，与城田优、古田新太联合出演了深夜剧《失恋保险》在日本电视台播出；7月，搭档刚力彩芽联袂主演漫改日剧《IS~性别不明》，在剧中扮演性分化疾病患者星野春；10月，在市原隼人主演的犯罪推理日剧《Runaway～为了心爱的你》中饰演男主角葛城充的恋人佐佐冈由纪。
2012年2月11日，参演的剧情片《TSY超越时空的不良少年》在日本上映；4月，与武井咲、刚力彩芽、桐谷健太联合出演由推理作家夏树静子同名代表作改编的悬疑日剧《W的悲剧》，饰演立花绮罗罗一角；同年还参演了松山健一主演的大河剧《平清盛》，在剧中饰演八重姬。
2013年1月26日，与长冢京三、须贺健太、能年玲奈合作出演的温情电影《燃烧的向日葵》日本上映；9月，主演富士台白天时段播出的午间剧《洁子烂漫》，该剧讲述被残酷的命运折磨的原士族的女主角九堂洁子的纯爱物语；10月23日，出演的悬疑日剧SP《SPEC：零》在TBS电视台播出；11月，电影《SPEC~结~前篇》与《SPEC：结后篇》接连在日本上映。
2014年7月1日，与千叶真一、小泉孝太郎、片濑那奈合作出演的社会剧《过气TV》在NHK电视台播出；10月，出演东山纪之主演的时代剧《大冈越前2》的第5集。
2015年5月，参演高桥克典主演的刑事剧《京都人情搜查档案》；接着，与上野树里、崔胜贤、贺来贤人共同出演了日韩合拍网络爱情剧《SecretMessage》；10月14日，与仲间由纪惠、若村麻由美、洼冢洋介合作了舞台剧《放浪记》，在剧中扮演女主角芙美子的妹妹悠起。
