兵庫県加古川市の生まれ。オーディションなどを経て、2001年、P＆Gヘルスケアの洗顔料『クレアラシル』のCMで３代目イメージガールに選ばれて芸能界入り。翌02年、NHK『生存・愛する娘のために』で、主人公・北大路欣也の14年前に失踪した娘・佐和子役で女優としてデビューする。続いて、NHK連続テレビ小説『てるてる家族』03で三女・秋子役を演じ、全国的に名を知られるようになった。映画初出演は同年、犬童一心監督「ジョゼと虎と魚たち」の香苗役。04年には、溌剌とした女子高生役で出演した佐々部清監督「チルソクの夏」を経て、ジャズバンドを組むことになる落ちこぼれ女子高生たちの青春を描いた矢口史靖監督「スウィングガールズ」で、テナーサックス担当のドジなヒロイン・鈴木友子役を颯爽と演じ、一躍注目される。同作で毎日映画コンクール、日本アカデミー賞、ヨコハマ映画祭など多数の新人賞を受賞。三木聡監督「亀は意外と速く泳ぐ」05、本広克行監督「サマータイムマシン・ブルース」05、小田一生監督「笑う大天使（ミカエル）」06などコメディの出演が続き、熊澤尚人監督「虹の女神／Rainbow Song」06では、映画監督を夢見る女子大生のせつない感情を、ベタつかずに演じた。　さらに06年、二ノ宮知子の人気漫画が原作のフジテレビ『のだめカンタービレ』に、ヒロイン・野田恵役で出演。ピアノ演奏には天才的な才能を発揮するが、日常の言動はエキセントリックな“のだめ”を縦横無尽に演じて大人気となり、08年にスペシャル版、09・10年に映画化もされる代表作となった。その間も、佐々部監督「出口のない海」05、古厩智之監督「奈緒子」08、犬童一心監督「グーグーだって猫である」08などで多彩な役どころを演じ、08年のフジテレビ『ラスト・フレンズ』ではベリーショートヘアで性同一性障害の岸本瑠可役に扮して話題を呼んだ。テレビドラマはほかに、フジテレビ『エンジン』05、『素直になれなくて』10、TBS『冗談じゃない！』07、WOWOW『上野樹里と６つの鞄』09など。11年のNHK大河ドラマ『江・姫たちの戦国』では主演の重責を担う。

2006年臨時増刊　NO MOVIE, NO GIRL vol.2	これを見落とすな！ガールズムービー:上野樹里「笑う大天使」
2006年8月上旬特別号	HOT SHOTS:上野樹里
2006年1月下旬特別号	新春グラビア企画:若手女優のいる風景－06年期待の日本映画より　上野樹里（「出口のない海」）
2005年9月上旬号	特集　「サマータイムマシーン・ブルース」:瑛太、上野樹里がみた本広監督 HOT SHOTS:上野樹里