2005年因在电视剧《龙樱》中的演出开始受到关注。2006年出版第一本写真集《水漾青春》。2007年毕业于日出高等学校后专注于演艺圈发展。同年出演电视剧《父女七日变》，发表个人首张音乐专辑《天空》，并参与专辑封面设计与作词。2008年因主演电影《恋空》接连获得电影新人奖。2009年初，与松本润共演《Smile》，在剧中饰演失声少女，因此剧获得助演赏。并于年中推出第二张专辑《Hug》。2010年初，与山下智久、户田惠梨香等共演《Code Blue直升机紧急救治第二季》(月9)，首次有作品拍摄续集。年中，与生田斗真拍摄电影《花水木》，其间新垣结衣到加拿大、纽约等地取境。为配合电影而推出书籍《The Three Little Pigs》，此书籍是由新垣结衣亲自绘画。同年推出的第三张专辑《虹》，当中收录了自己主演的电影《花水木》的主题曲，其中两首歌是新垣结衣亲自填词。2011年，秘密拍摄推理电影《麒麟之翼～剧场版·新手》，与阿部宽主演，也是继2005年《龙樱》后再次与阿部宽合作。6月中，首次单独主演夏季月9剧《全力女孩》，相隔一年再推出新作，共演的有NEWS的锦户亮和药师丸博子等。
