2001年，新垣结衣的姐姐看到了杂志《nicola》要征集中小学生模特，就希望新垣结衣能去参加以完成自己的心愿。于是，新垣结衣就去参加了选拔并获得了最优秀大奖。此后，她就成为了nicola的专属模特。
2004年，新垣结衣开始参加各类演艺节目，并登上泳装杂志。2005年春天，新垣结衣从《nicola》杂志毕业；同年，出演了电视剧处女作《涩谷15》，新垣结衣在剧中饰演女主角、魔法少女“艾玛” ；7月8日，与阿部宽、山下智久、长泽雅美等共同出演的校园励志剧《龙樱》首播，新垣结衣饰演嫉妒心强但个性单纯的高中三年级生“香坂佳乃” 。
2006年3月3日，新垣结衣发行了个人首本写真集《ちゅら☆ちゅら》；3月11日，初次担任声优的动画电影《军曹大电影》上映 ；4月2日，参与配音的电视动画《数码宝贝拯救队》开播，新垣结衣为女主角藤枝淑乃配音；7月8日，与长濑智也、手越祐也、田中圣等联袂出演的校园剧《我的老大，我的英雄》播出，新垣结衣饰演天真烂漫、温柔且懂事的乖乖女“梅村光” 。
2007年3月22日，推出第二本写真集《まっしろ（纯白）》；7月1日，与馆博领衔主演的现代家庭剧《父女七日变》首播 ；8月18日，出演的爱情电影《恋爱格局》上映，新垣结衣除了担任女主角，还演唱了主题曲《追忆（メモリーズ）》；9月8日，与松田翔太、福士诚治等合作出演的电影《坏家伙》上映，该片为其电影处女作；11月3日，搭档三浦春马主演的爱情电影《恋空》上映，新垣结衣在片中饰演开朗认真的高中一年级学生“田原美嘉”，并演唱了插曲《Heavenly Days》，该片票房达39亿日元，位列日本票房年度榜单第六位 ，新垣结衣凭借该片获得了第31届日本电影学院奖及第50届日本电影蓝丝带奖最佳新人奖 ；12月5日，发表了个人首张音乐专辑《そら》（《天空》），并参与了专辑（初回版）的封面设计与作词；12月21日，于日本武道馆举办了歌手出道活动；12月31日，在第58届NHK红白歌会上担任特别审查员。
2008年3月16日，获得了第1届BEST GIRL OF 2007：最高奖 ；7月3日，与山下智久、户田惠梨香等共同主演的医疗剧《Code Blue》首播 ；7月16日，发布个人首张单曲《Make my day》，该单曲在公信榜拿下亚军，并登上了日本公告牌冠军 ；10月11日，与内藤刚志、柄本时生等联合主演的喜剧电影《应援少女》首映 。
2009年1月10日，出演的医疗剧《CODE BLUE：新春特别篇》播出；4月17日，与松本润、中井贵一联袂主演的电视剧《微笑》播出，新垣结衣在剧中饰演因意外而患失语症的女孩“三岛花”，凭借该角色获得了第61届日剧学院赏、第13届日刊体育日剧大奖最佳女配角奖 ；6月17日，推出第二张个人专辑《Hug》 。
2010年1月11日，出演的医疗剧《CODE BLUE 2》首播 ；6月25日，推出个人首部英文绘本《The Three Little Pigs》 ；8月21日，搭档生田斗真主演的爱情电影《花水木》上映，该片票房达28.3亿日元，位列日本真人票房年度榜单第七位 ；9月22日，新垣结衣推出个人第三张音乐专辑《虹》，该专辑共有11首歌曲，其中两首是由新垣结衣亲自填词完成。