福岡県生まれ。1999 年にミュージカル『アニー』のオーディションで１万人の中から選ばれ、ポリー役でデビュー。2001 年には岩井俊二監督の「リリィ・シュシュのすべて」で映画デビューを飾り、援助交際する女子中学生役を演じて注目を集めた。その後、日本テレビ『青と白で水色』01、TBS『高校教師』03、『タイガー＆ドラゴン』05、NHK『七子と七生・姉と弟になれる日』04 などのテレビドラマや、塩田明彦監督「害虫」02、森田芳光監督「海猫」04 などの映画で順調にキャリアを積み、再び岩井と組んだ「花とアリス」04 で日本映画プロフェッショナル大賞主演女優賞を受賞。05 年には佐藤純 監督の戦争大作「男たちの大和／ YAMATO」にも出演するなど、実績を重ねてゆく。そして、06 年に出演した李相日監督の「フラガール」で転機を迎える。炭鉱の町再生のためにフラダンサーになり仲間を引っ張っていく谷川紀美子を演じ、ブルーリボン賞主演女優賞など数々の賞を受賞。キネマ旬報ベスト・テンでも第１位に輝くなど批評的にも成功を収め、自身も助演女優賞受賞を受賞し、注目度が一気にアップした。以後も「クワイエットルームにようこそ」07、「人のセックスを笑うな」「明日への遺言」「百万円と苦虫女」08、「おとうと」「雷桜」10 と話題作にコンスタントに出演し、ナチュラルな魅力を発揮。テレビドラマでは、フジテレビ『Dr.コトー診療所2006』06、WOWOW『蒼井優×４つの嘘／カムフラージュ』08、日本テレビ『おせん』08 などがある。また、幼い頃から継続しているクラシックバレエの才能を生かして、「フラガール」のほか、「蟲師」07、NHK 大河ドラマ『龍馬伝』10 などでしばしば踊りも披露。さらに長篇アニメーション「鉄コン筋クリート」06 で声優に初挑戦して以来、「いけちゃんとぼく」09、「REDLINE」10などで声の出演も行なっている。