新垣結衣早年就讀于日出高中，2001年時，新垣結衣的姐姐看到了雜志《nicola》要征集中小學生，就對她說“我已經不能參加了，所以你去吧”。于是結衣就去參加了選拔并且勝出了。從此以后，就成為nicola的模特“nicomo” ?。

　　2004年，新垣結衣參加各類節(jié)目，上泳裝雜志，并成為了演員。

　　2005年春天，新垣結衣從nicola畢業(yè)了。同年，新垣結衣與阿部寬、山下智久、長澤雅美、小池澈平、中尾明慶主演電視劇《龍櫻》，于7月8日在日本首播 ?。

　　2006年3月3日，新垣結衣發(fā)行了個人的第一本寫真集《ちゅら☆ちゅら》。3月5日，舉行了寫真集的簽名握手會。同年，開始嘗試動畫聲優(yōu)，為《電影超劇場版ケロロ軍曹》的重要角色MIRARA配音，電視動畫數(shù)碼獸拯救者的女主角藤枝淑乃。

　　2007年初，擔任代言第85屆日本全國高校足球賽的應援經理，應援經理的代言是由84屆開始。3月22日，推出第二本寫真集《まっしろ（純白）》，和第一本寫真集的南國沖繩陽光沙灘風格完全相反，是以北國函館雪景與溫泉的背景來拍攝的 ?。2007年夏、秋陸續(xù)上映新垣結衣的3部電影《戀するマドリ》《ワルボロ》《戀空》 ?，期間同時演出電視劇《父女7日變》。隨著首部電影《戀するマドリ》上映，同時擔任主題曲《追憶（メモリーズ）》的演唱者，之后又演唱《戀空》的插曲《Heavenly Days》。2007年末發(fā)表個人音樂專輯《そら》（《天空》），并參與專輯（初回版）封面設計與作詞。12月5日，專輯《そら》正式發(fā)行后與School of Locks合作在12月21日于日本武道館舉辦歌手出道活動。2007年末，新垣結衣于第58屆NHK紅白歌唱大賽擔任審查來賓，也擔任睽違紅白16年的槙原敬之演唱歌曲《GREEN DAYS》時的介紹者。

　　2008年初，新垣結衣隨著電影走紅，并接連獲得電影新人獎得主，唱片、戲劇也有不錯的成績。因《戀空》等電影接連獲得電影新人獎得主。同年，與山下智久、戶田惠梨香等共演《Code Blue直升機緊急救治》，是繼2005年的《龍櫻》后再次與山下智久共演。10月11日，與內藤剛志、柄本時生等主演的電影《應援少女》首映 ?。個人首張單曲《Make my day》在公信榜拿下亞軍，而日本告示牌排行榜更登上冠軍 ?。

　　2009年初，新垣結衣與松本潤共演《Smile》，在劇中飾演失聲少女，因此劇獲得助演女優(yōu)賞 ?。1月10日，參演的《Code Blue新春特別版》播出。年中推出第二張專輯《Hug》。

　　2010年初，新垣結衣與山下智久、戶田惠梨香等共演《Code Blue直升機緊急救治第二季》，也是她首次有作品拍攝續(xù)集。年中，與生田斗真拍攝電影《花水木》，其間新垣結衣到加拿大、紐約等地取境。為配合電影而推出書籍《The Three Little Pigs》，此書籍是由新垣結衣親自繪畫。8月21日，主演的電影《花水木》在日本上映 ?。同年推出的第三張專輯《虹》，當中收錄了自己主演的電影《花水木》的主題曲，其中兩首歌是新垣結衣親自填詞 ?。

　　2011年，新垣結衣秘密拍攝阿部寬主演的推理電影《劇場版新參者：麒麟之翼》，也是繼2005年《龍櫻》后再次與阿部寬合作 ?。6月中，首次單獨主演夏季月9劇《全開女孩》，共演的有関ジャニ∞的錦戶亮和藥師丸博子等 ?。7月11日，與錦戶亮、藥師丸博子、荒川良良等主演的電視劇《全開女孩》在日本首播，在劇中飾演外資律師事務所新人律師鲇川若葉 ?。她也憑借該片登上日本雜志《TVFAN》的8月號新刊封面 ?。10月28日，與阿部寬、黑木明紗、溝端淳平等主演的《劇場版新參者：麒麟之翼》在日本上映，在電影中飾演殺人事件嫌疑犯的戀人中原香織，與扮演刑警加賀恭一郎的阿部寬上演對手戲 ?。12月9日，新垣結衣與賀來賢人、夏菜、長谷川京子主演的電視劇特別篇《亂馬1/2》真人版上映，在劇中飾演天道茜 ?。

　　2012年1月3日，新垣結衣與大野智主演的新春SP喜劇《誘拐什么的再也不干了》開播 ?，她在劇中扮演天真爛漫的大小姐花園繪里香 ?。4月17日，新垣結衣與堺雅人主演的《Legal High》開播，在劇中飾演律師界的“正義小白”黛真知子 ? ?。12月30日TBS放送的“第54屆日本唱片大賞”的記者會在同局舉行，新垣結衣和安住紳一郎首次擔任主司儀。

　　2013年3月11日，日本通網站報道，ORICON STYLE每年慣例的由異性評選的《想和TA談戀愛的男/女藝人》榜之“女星榜”新鮮出爐，新垣結衣重回榜首 ?。10月9日，新垣結衣與堺雅人、里見浩太朗主演《legal high 2》在富士臺開播，首集平均收視率關東地區(qū)21.2%，關西23.1%。這一收視成績相對該系列第一部首集12.2%的成績有了很大幅度的提升，同時也超越了松島菜菜子主演的《家政婦三田》19.5%的首集收視率。 ?。

　　2014年1月12日，與向井理、綾野剛主演的電視劇《S最后的警官》在日本首播，劇中她飾演的角色是男主角所屬的特殊部隊NPS的狙擊手，同時也是隊伍中唯一的女性；并且是從第九集開始出演一直到劇集結束 ?。8月22日，新垣結衣首次扮演教師的影片《唇上之歌》正式殺青 ?。11月8日，與大泉洋、中村蒼、福島莉拉等主演的電影《黎明的沙耶》在日本全國公映，飾演女主人公沙耶 ?。11月22日，與堺雅人主演的SP《Legal High（勝利即是正義）》在日本播出，這也是新垣結衣第一次能夠在同一系列作品里如此長時間的出演同一個角色 ?。

　　2015年2月28日，主演的電影《唇上之歌》在日本全國公映 ?。飾演的主人公柏木是個長相甜美、開著一輛破卡車、性格直率的代課音樂教師 ?，于臺灣的上映日期為 2015年6月26日 ?。10月10日，新垣結衣出演《掟上今日子的備忘錄》的漫改日劇在日本首播 ?。