2011年1月，参加第7届“东宝灰姑娘”大奖赛，获得评审员特别奖；同年9月，和获得“东宝灰姑娘”最高奖的妹妹萌歌首次为Hip hop组合“HOME MADE 家族”第6张专辑《AKATSUKI》的收录曲《スターとライン》录制音乐视频 ；11月，与其他三位“第七届东宝灰姑娘”获奖者共同出演三木孝浩执导的短片电影《空色物语》 。

2013年7月，参演周防正行执导的电影《窈窕舞妓》，凭借在片中饰演女主角纯子的表现获第38届日本电影学院奖新人演员奖 。

2014年7月，参加在巴黎举办的"Japan Expo 2014"，并登台献唱《窈窕舞妓》的主题曲 。

2015年8月，上白石萌音主演音乐剧《红发少女安妮》 。同年，参演根据末次由纪的漫画改编的电影《花牌情缘 上之句》，饰演大江奏 。12月，与神木隆之介合作，在新海诚执导的青春爱情动画电影《你的名字。》中担任主要角色的配音 。

2017年，主演1月期播放的深夜剧《只要有北斋和米饭》，首次挑战连续剧主演 。