2000年，参加小学馆的时尚杂志专门的试镜招募。虽然落选了，但加入了模特事务所ウィルコ`ポレ`ション(WillCorporation)。
2001年被选作宝洁洗发产品第三代的Imagegirl而接拍广告出道。
2003年演出NHK的晨间连续剧《晴朗家族》中三女岩田秋子的角色。
2004年主演电影《
摇摆少女》，饰演主角铃木友子。凭此电影获得第28届日本奥斯卡新人俳优赏及每日电影赏新人赏等殊荣。
2006年主演富士电视台月9日剧《のだめカンタ`ビレ》，中译
交响情人梦)，饰演天真烂漫、不修边幅的天才钢琴手野田惠。
2007年2月，拍摄了纪录片《上野树里英国行》。5月，推出单曲《屁屁体操》，并且还拍摄了纪录片《情热大陆》。12月5日，推出单曲《爷爷的绘画信》，此曲曾被NHK的长寿音乐节目“大家的歌”推介播出过。
2008年4月，出演富士电视台春季木10日剧《LastFriends》，饰演性别认同障碍者的越野车手岸本可。凭此角色获得2008ギャラクシ`赏（GalaxyAwards）之6月份月间赏、第12回日刊体育读者票选春季日剧助演女优赏和第57回日剧学院赏助演女
优赏等奖项的肯定。6月底，电影《虹之女神》的编剧樱井亚美在自己的BLOG里提到，由她创作的作品「PLANETARIUM」改编的同名电影，在野边山拍摄的追加镜头的部份是由上野树里担任导演，里面也提及了上野参与分镜和拍摄的过程，这是上野第一次正式担任导演工作。8月23日，出席在日本神户举办的2008KOBECOLLECTIONA/W，担任时装秀压轴的神秘嘉宾。10月2日至4日，为宣传电影《
咕咕是一只猫》，与导演犬童一心一起参加韩国第十三届釜山国际电影节，在当地受到了极大的欢迎。11月26日，获选为日本VOGUE杂志所选出的2008年日本年度女性之一并参加了颁奖典礼，同届获奖的女艺人还有宫崎葵。12月9日，《交响情人梦》继2006年的电视剧及2008年初的特别篇後，宣布将於2009年开拍电影版，分成两部在2009年12月及2010年4月上映，原作者二之宫知子在连载漫画的kiss杂志上也表示电影将会是故事的完结。
2009年3月，拍摄了纪录片《上野树里北印度洋之旅》。9月，主演日本收费电视WOWOW台的短篇日剧《上野树里与5个包包》，以包为关键字，每集饰演一
个不同的角色，并且每集搭配不同的导演和编剧，演出5种风格迥异的短篇故事。另外上野也亲自作曲并演唱了本剧的片尾曲《カバンのバンカ》。12月26日，日本各大新闻正式宣布2011年NHK大河剧《江～公主们的战国》将由上野树里主演。
2010年2月28日，为了宣传《交响情人梦最终乐章前篇》在亚洲的上映，上野树里前往中国香港参加商场EVENT、首映典礼等现场活动。4月15日，由日本富士电视台于逢星期四22:00-23:54（日本时间）播出的电视连续剧《无法坦诚相对》由瑛太和上野树里主演。6月30日，发售了个人第三张单曲《えがおのはな》，并且该歌曲作为NHK《みんなのうた》节目6、7月份的主打歌曲。
2011年1月9日，与宫泽理惠、水川麻美、丰川悦司主演的大河剧《江公主们的战国》首播。4月20日，上野树里参加了AMUSE事务所（以桑田佳佑和福山雅治为首共53人）发起的临时组合“Team-Amuse”为东日本大地震进行赈灾义演活动，录制了歌曲《Let'stryagain》以及其MV。该歌曲及MV于起在各大电视台及广播中播出。该歌曲的CD于2011年5月29日发售。7月、8月、10月在滋贺、清须、福井三地以大河剧宣传为名义举行了三场大型赈灾募捐活动。并将募集到的所有款项赠与“こどもたちへ<あしたの本>プ
ロジェクト”基金会，用于给灾后地区的孩子们购买书籍。
2012年3月拍摄的纪录片《上野树里之行！樱花前线大追迹～》在日本播出。4月，举办书籍《ものづくりのSしさk见！上野树里とナニカをツクル旅》签售会。除此之外2012年间并未参加任何其他工作，事务所官方称是休息调整一年。
2013年10月12日，与玉山铁二、大仓孝二、谷村美月主演的电影《
向阳处的她》首映，该电影根据累计发行数超过100万部的越谷OSAMU的畅销小说改编，于13年1月中旬正式开拍。
2014年4月，上野树里主演TBS《爱丽丝之棘》开播，在剧中她饰演将复仇贯穿自己人生的医生，深刻揭露大学医院医生制度的腐朽，成为医生版半泽直树。
2015年1月，与生田斗真、小栗旬主演电视剧《无间双龙》，在剧中饰演一名从东大毕业的精英刑警，拥有超强的正义感和敏锐直觉。与韩国男子组合Bigbang成员崔胜贤合拍日韩共同制作的电视剧《秘密讯息》，并于11月2日在日本dTV电视台播出。9月，主演了由棚田由纪执导的喜剧电影《父亲与伊藤先生》，这也是其时隔两年再次主演电影。
