2001年，绫濑遥在NTV电视台播放的电视剧《金田一少年之事件簿III》中作为女演员初次亮相。
绫濑遥从广岛老家前往东京发展事业一段日子后，2002年凭借日剧《风の盆から》出道，之后演过《我的生存之道》、《
幸福的王子》、《向黑杰克问好》等。不过令她声名大噪的，是继《向》剧后再同妻夫木聪一起演出著名导演行定勋执导的短片《
Justice》。
2004年，绫濑遥从723人中脱颖而出，演出《
在世界中心呼唤爱》的电视版。剃发饰演白血病患者角色，受到好评，获第42回日剧学院赏最佳女配角。
2006年，邀请到音乐制作人小林武史担任监制，进军歌坛，于3月24日推出首张单曲《Period》。
2007年7月11日，绫濑遥主演的《萤之光》在日本电视NTV首播。
2008年，继《JUSTICE》、《帅哥医生》之后，与同门师兄妻夫木聪第三度合作，出演喜剧大师三谷幸喜执导的电影《魔幻时刻》。这也是三谷导演首次同时选用两名年轻演员担任重要角色。《
我的机器人女友》剧照
2008年3月20日，主演电影《我的机器人女友》上映，该片与《女座头市》《愉快的飞行》一起获得第21回日刊体育电影大奖最佳女主角奖。2009年，绫濑遥担任的日剧《Mr.Brain》和《
仁医》的女主角，全年收视率分获第一、第三。
2010年，绫濑遥凭借主演的《巨乳排球》首度登鼎影后宝座。同年9月25日，与藤木直人合作的夏季日剧《
萤之光2》开播，最终回收视率高达17%，将平均收视率定格在了15+，成为了当之无愧的民营电视剧收视冠军，而其“新生代日剧女王”的名衔实至名归。
2011年2月15日举行第53届日本蓝丝带电影奖颁奖典礼，绫濑遥任蓝丝带颁奖司仪。4月，绫濑遥与大泽隆夫、中谷美纪主演《仁医2》首播。4月20日，绫濑遥主演的电影《丰臣公主》上映。10月，绫濑遥与木村拓哉、雅人主演《
南极大陆》首播。
2012年12月9日，绫濑遥推出了最新写真集《原色绫濑遥》。该写真集记录了她从21岁至27岁7年间的成长历程，收录了她许多尚未公开的珍贵照片。
2013年1月6日，绫濑遥与西岛秀俊等主演《
八重之樱》。6月1日，绫濑遥和佐藤健主演电影《完美的蛇颈龙之恋》上映，该片改编自日本人气推理小说《完美的蛇颈龙之日》。12月31日，绫濑遥在第64届NHK红白歌会上首次演唱歌声，16日NHK方面公布了这一消息。担任红组司仪的绫濑作为特别企划的一员，献唱东日本大地震救援复兴的主题歌《花开》。12月15日，绫濑主演的NHK大河剧《八重之樱》迎来最终回，全50回的关东地区的平均收视率仅有14.6%，尽管比2012的《
平清盛》有所上升，成为了大河剧史上第四低的收视纪录。
2014年，绫濑遥主演初夏公开的电影《万能鉴定师Q：蒙娜丽莎之瞳》，影片根据累计销量达310万部的松冈圭v的悬疑系列小说改编。同年获选《夏日美女》第1名。同年10月主演日剧《
今天不上班》，饰演毫无恋爱经验的30岁OL。
2015年3月30日最新写真集《SEA STORIES HarukaAyase》（宝岛社）发售，这本写真集里收录了绫濑遥在意大利西西里岛拍摄的150张照片，由摄影师高桥YOKO操刀拍摄。卷末的长篇采访文中会有绫濑遥出道至今的一些轶事，及她对工作、人生的一些看法。同年6月13日，和长泽雅美、夏帆、广濑铃共同主演的电影《
海街日记》在日本上映，该片根据吉田秋生的原作小说改编，讲述了在古都镰仓居住的3姐妹与同父异母的妹妹重拾家族羁绊的温情物语。
