2001年には、岩井俊二監督の『リリイ・シュシュのすべて』で映画初出演。その後、2002年、三井のリハウスの10代目リハウスガールに選ばれ、2003年、『高校教師』で初めて連続ドラマにレギュラー出演するなど、活躍の場を広げていった。
2005年、7本の映画出演作が公開され、『ニライカナイからの手紙』で単独初主演を果たした。
2006年、第11回釜山国際映画祭にて行われたスターサミットアジア2006に参加し、これからアジアの映画を担っていく女優として市原隼人、香椎由宇らと共にカーテンコールの1人に選ばれた。映画『鉄コン筋クリート』では声優に初挑戦。以降も女優業だけでなく『ミヨリの森』や『いけちゃんとぼく』等で声優にも挑戦している。
2006年度は、映画『フラガール』などでの好演が認められ、第30回日本アカデミー賞最優秀助演女優賞、第49回ブルーリボン賞主演女優賞をはじめ、多くの映画賞を受賞した。
2008年、ドラマ『おせん』で連続ドラマ初主演。映画出演が多く続き、連続ドラマ出演はこれが2年ぶりとなった。
2010年、大河ドラマ『龍馬伝』でヒロインの一人、元役で大河ドラマ初出演。

* 小学生の頃、学校でイジメが流行り、本人も何かがきっかけでイジメの標的になってしまったことがある。
* 本人曰く「自分は個性がないところが個性だ」。
* 宮?あおいとは仲が良く、映画『害虫』やドラマ『青と白で水色』、CM『ファイブミニ』、雑誌、など多くの機会で共演しており、お互いを「あおい」、「優」と呼び合っている。
* 上野樹里ともプライベートで親交がある。
* 『クワイエットルームにようこそ』では、摂食障害の役のため、役作りで体重を7kg落としたという（松尾スズキ談）。
* 2004年、『花とアリス』で訪れた第9回釜山国際映画祭で、韓国での映画の熱狂ぶりと日本映画の認知度の低さに驚き、日本映画にもっと深く関わっていきたいと思うようになる。
* JRAのCMで共演している小池徹平とは高校の同級生で席も隣同士だったが、高校時代は口を利いたこともなかった。後に『僕らの音楽』では小池との対談が実現し、当時のぎこちないやり取りなど思い出話を語っている。現在は打ち解けて仲も良く小池のことも「徹っちゃん」と呼んでいる。
* ゲームソフト『ポケットモンスター』シリーズのファンであり、2006年には『ポケットモンスター ダイヤモンド・パール』CMに出演した他、ゲーム雑誌『CONTINUE』（太田出版）Vol.31の表紙を飾ると共にインタビューが掲載されている。
* 年齢より若く見られることがよくある。時には中学生に間違えられることもあったとテレビ等で語っている。
* チャットモンチーのファンで、携帯の機種を変更する前はシャングリラがアラーム音だった。
* 女優をはじめたきっかけは東京に遊びに来る理由が欲しかったから。
* 絶対音感の持ち主だが、本人曰く自分は「音痴」なので、歌っていると気持ち悪いという。

* うきは～少年たちの夏～（2002年、NHK福岡） - 山下みゆき 役
* 新・ズッコケ三人組（2002年、NHK）
* リモート（2002年、日本テレビ） - 中川茜 役
* 高校教師（2003年、TBS） - 江沢真美 役
* 演技者。「狂い咲きヴァージンロード」（2003年、フジテレビ） - コヨミ 役
* 14ヶ月～妻が子供に還っていく～（2003年、読売テレビ） - 五十嵐裕子（17歳時） 役
* 一番大切なデート 東京の空・上海の夢（2004年、TBS） - 萩原香 役
* 世にも奇妙な物語（フジテレビ）
** 過去からの日記（2004年） - 北嶋ゆりえ 役
* 七子と七生～姉と弟になれる日～（2004年、NHK） - 主演・七子 役
* タイガー&ドラゴン（2005年、TBS） - リサ 役
* 二十四の瞳（2005年、日本テレビ） - コトエ 役
* 刹那に似てせつなく（2005年、TBS） - 道田ユミ 役
* Dr.コトー診療所2006（2006年、フジテレビ） - 仲依ミナ 役
* 蒼井優×4つの嘘 カムフラージュ（2008年、WOWOW） - チカ 役、マコト 役、梅子 役、鈴子 役
* おせん（2008年、日本テレビ） - 主演・半田仙 役
* 龍馬伝（2010年、NHK） - お元 役
* うぬぼれ刑事 第2話（2010年7月16日、TBS） - 小沼せつ子 役
映画
* リリイ・シュシュのすべて（2001年） - 津田詩織 役
* キネマ通りの人々（2002年） - ヒカリ 役
* 害虫（2002年） - 山岡夏子 役
* 走れ!ケッタマシン～ウエディング狂騒曲～（2002年） - 榊原幸子 役
* MemoiR メモワール （ショートフィルム）（2003年） - サユリ 役
* 偶然にも最悪な少年（2003年） - 原田の彼女 役
* 花とアリス（ショートフィルム）（2003年）
* 1980（2003年） - 羽柴リカ 役
* 花とアリス（2004年） - 主演・有栖川哲子 役
* MASK DE 41（2004年） - 倉持ハルカ 役
* 海猫（2004年） - 野田美哉 役
* 鉄人28号 （2005年） - 立花真美 役
* ニライカナイからの手紙（2005年） - 主演・安里風希 役
* 亀は意外と速く泳ぐ（2005年） - 扇谷クジャク 役
* 星になった少年 Little Randy and Shining Boy（2005年）- 村上絵美 役
* 変身（2005年） - 葉村恵 役
* 男たちの大和/YAMATO（2005年） - 野崎妙子 役
* ハチミツとクローバー（2006年） - 花本はぐみ 役
* シュガー&スパイス 風味絶佳（2006年） - カメオ出演
* フラガール（2006年） - 谷川紀美子 役
* 虹の女神（2006年）- 佐藤かな 役
* 鉄コン筋クリート（2006年）- 声優 シロ 役
* 蟲師（2007年）- 淡幽 役
* クワイエットルームにようこそ（2007年）- ミキ 役
* 人のセックスを笑うな（2008年） - えんちゃん 役
* 明日への遺言（2008年） - 守部和子 役
* 百万円と苦虫女（2008年） - 主演・佐藤鈴子 役
* TOKYO!（2008年） - ピザ配達の少女 役
* ホノカアボーイ（2009年） - カオル 役
* いけちゃんとぼく（2009年） - 声優 いけちゃん 役
* おとうと（2010年） - 高野小春 役
* のだめカンタービレ 最終楽章 後編（2010年） - 吹き替え ヤドヴィガ 役
* FLOWERS -フラワーズ-（2010年） - 凛 役
* REDLINE（2010年） - 声優 ソノシー 役
* 雷桜（2010年） - 遊 役
* 洋菓子店コアンドル（2011年） - 臼場なつめ 役
* たまたま（2011年）
* Vampire（2011年公開予定） - Mina 役
* 東京家族 - 間宮紀子 役
* るろうに剣心（2012年公開予定）- 高荷恵 役
テレビその他
* ミヨリの森（2007年8月25日、フジテレビ） - 真縞ミヨリ 役（声の出演）
* 天空のロストワールド～南米アマゾン・ギアナ高地 地球創世の記憶～（2008年12月22日、テレビ朝日）
* 龍馬を愛した女たち～ヒロインたちの龍馬伝～（2010年3月6日、NHK）
* Eテレ0655&2355（2010年10月 - 、おはようソング・おやすみソング「がんばれweekday」のみ、NHK）
舞台
* ミュージカル アニー（1999年） - ポリー 役
* 私とワタシ（2003年10月8日 - 13日、イトーカンパニープロデュース、青山円形劇場） - ユキ 役
* シブヤから遠く離れて（2004年） - トシミ 役
* オセロー（2007年10月4日 - 11月19日） - デズデモーナ 役
* 楽屋～流れ去るものはやがてなつかしき～（2009年5月10日 - 6月14日） - 女優D 役
* 南へ（2011年2月10日 - 3月31日） - あまね 役
* その妹（2011年12月2日 - 12月26日） - 静子 役
CM
* 盛田「KAiDA」（2000年 - 2001年）
* ソニー「SONY VAIO」（2000年）
* ヤマハ発動機 マリン事業企業（2000年 - 2001年）
* NTTドコモ九州「P-in Comp@ct」父娘篇（2001年）
* エーザイ
* ファイザー製薬（2001年、2分×4話分）
* 東芝 企業CF IT篇（2001年 - 2002年）
* 三井不動産販売「三井のリハウス」（2002年 - 2004年、10代目リハウスガール）
* 日本コカ・コーラ「コカ・コーラWORLD-CUP Vol.1 2人のFIFAワールドカップ篇」（2002年）
* 三井住友銀行 情報ドキュメント 篇（2002年）
* Every Little Thingアルバム告知（2003年）
* ネスレコンフェクショナリー「キットカット」（2003年）
* ライオン「植物物語」（2004年）
* JT「烏龍烏龍（ウーロンウーロン）」ロミオ&ジュリエット編（2004年）
* NTT東日本「NTT0036」（2004年）
* 大塚製薬「ファイブミニ」（2005年、宮崎あおいと共演）
* イオンクレジットサービス「イオンカード」（2005年）
* フランソア「ナチュレル」（2005年10月）
* 任天堂 ニンテンドーDSソフト「ポケットモンスター ダイヤモンド・パール」（2006年8月）
* キヤノンマーケティングジャパン「PowerShot / PIXUS」（2006年9月）
* ビオフェルミン製薬「新ビオフェルミンS」（2006年12月 - ）
* 資生堂「TSUBAKI」（2007年4月 - ）
* NTTドコモ（2007年 - 2008年）
* キリンビバレッジ「アイティー（I-Tea）」（2007年6月）
* JRAキャンペーン「CLUB KEIBA」（2008年 - 2010年）
* しおり「Smile」（2008年）
* キリンビバレッジ 「午後の紅茶」（2008年 - ）
* LG電子「NTTドコモFOMA L-04A・L-06A」（2009年）
* ユーキャン通信講座（2010年）
* 資生堂「ANESSA」（2010年 - ）
* カルビー「ポテトチップス」（2010年 - ）
* ジェイアイエヌ「JINS」（2011年 - ）

* 回転テーブルはむつかしい。（2008年、メディアファクトリー)
* 今日、このごろ。（2008年、宝島社)
* ポルトガール（2009年、講談社)
* うそっ。（2010年、PARCO出版)
* 蒼井洋菓子店～大好きスイーツ・ベスト88～（2011年、マガジンハウス)
* 今日もかき氷（2011年、マガジンハウス)
写真集（複数）
* きもののたび（2003年、ワイレア出版）
* ナキガオ（2004年、近代映画社）
* 花とアリス寫眞館（2004年、扶桑社） - 鈴木杏と共演
* A girl like you 君になりたい。（2005年、マガジンハウス）
* ビジョメガネ（2005年、ソニーマガジンズ）
エッセイ
* From 優（2003年、講談社）
雑誌
* ニコラ（新潮社）
* CANDy（2000年- 2002年、白泉社）
カレンダー
* 蒼井優カレンダー 2003（2002年、ハゴロモ）
* 蒼井優カレンダー 2008（2007年、ハゴロモ）
* 蒼井優カレンダー 2009（2008年、ハゴロモ）
* 蒼井優カレンダー 2010（2009年、ハゴロモ）
* 蒼井優カレンダー 2011（2010年、ハゴロモ）
カタログ
* BEAMS BOY（2008年9月、2009年9月）
* JOURNAL STANDARD（2010年11月、2011年4月） - コラボレーションプロジェクト「sun sand sound」

* 第31回（2006年度）報知映画賞 最優秀助演女優賞（『フラガール』、『ハチミツとクローバー』）
* 第19回（2006年度）日刊スポーツ映画大賞 新人賞（『フラガール』）
* 第28回（2006年度）ヨコハマ映画祭 主演女優賞（『フラガール』『ハチミツとクローバー』）
* 第61回（2006年度）毎日映画コンクール 女優助演賞（『フラガール』、『ハチミツとクローバー』、『虹の女神～Rainbow Song～』）
* 2007年（2006年度）エランドール賞 新人賞（『フラガール』、『ハチミツとクローバー』他）
* 第80回（2006年度）キネマ旬報映画賞 助演女優賞（『フラガール』、『ハチミツとクローバー』、『虹の女神～Rainbow Song～』）
* 第49回（2006年度）ブルーリボン賞 主演女優賞（『フラガール』、『ハチミツとクローバー』）
* 第21回（2006年度）高崎映画祭 最優秀主演女優賞（『フラガール』）
* 第16回（2006年度）東京スポーツ映画大賞 主演女優賞（『フラガール』）
* 第11回（2006年度）日本インターネット映画大賞 助演女優賞（『フラガール』）
* 第30回（2006年度）日本アカデミー賞 新人俳優賞（『フラガール』）
* 第30回（2006年度）日本アカデミー賞 最優秀助演女優賞（『フラガール』）
* 第30回（2006年度）日本アカデミー賞 優秀助演女優賞（『男たちの大和/YAMATO』）
* 第20回（2006年度）DVD&ビデオで～た大賞 ベスト・タレント賞
* 第59回（2008年度）芸術選奨 文部科学大臣新人賞 映画部門（『百万円と苦虫女』）
* 第26回（2008年度）ATP賞テレビグランプリ2009 特別賞（『天空のロストワールド～南米アマゾン・ギアナ高地 地球創世の記憶～』における極めてユニークなレポーターとして）
* 第17回（2009年度）読売演劇大賞 優秀女優賞（『楽屋～流れ去るものはやがてなつかしき～』）
* 第23回（2010年度）日刊スポーツ映画大賞 助演女優賞（『おとうと』）
* 第34回（2010年度）日本アカデミー賞 優秀助演女優賞（『おとうと』）