2007年，二阶堂富美凭借出演电视剧《考试之神》作为演员出道。 2009年，在役所广司执导的剧情片《蛤蟆的油》中首次登上电影舞台；6月，出演了南明奈主演的手机剧《草莓研究班》；同年还出演了电影《天空说》。2010年，二阶堂参演了电影《8mimi》；10月，出演了小田切让主演的犯罪推理日剧《热海的搜查官》。2011年，二阶堂富美凭借园子温执导的电影《庸才》，与饰演男主角的染谷将太一起获得第68届威尼斯电影节最佳新人奖 ，并且她还获得了第36届日本电影学院奖最佳新人 ；4月，主演了音乐电影《剧场版 神圣放逐乐队 停不下来的摇滚乐》，并凭此片获得了第3届TAMA电影赏最优秀新进女演员 和第26届高崎电影节最优秀助演女优赏，这也是其首次担任电影的主演；7月，出演了仲间由纪惠主演的历史战争片《暴风雨》；11月，出演了山田孝之主演的现代爱情电影《我想戴上戒指》，并在剧中饰演了一位谜样滑冰少女 。2012年，二阶堂富美出演了松山健一主演的大河剧《平清盛》，在剧中饰演了平德子一角；4月，出演了冈田将生主演的科幻日剧《未来日记：另一个世界》；9月，二阶堂与菅田将晖联合主演了漫改电影《国王与我》；11月，还出演了伊藤英明主演的恐怖惊悚电影《恶之教典》，她在剧中饰演了侥幸逃过了男主角屠杀存活下来的女学生片桐怜花。2013年，二阶堂富美参演了生田斗真主演的电影《脑男》；9月，出演了园子温执导的集恋爱、暴力、动作、青春等元素融为一体的群像电影《地狱为何恶劣》 ；11月，参演的美食电影《四十九天的食谱》在日本上映；同年，二阶堂凭借着这三部作品获得了第56届蓝丝带赏最优秀助演女优赏和第35届横滨电影节最优秀助演女优赏。2014年，二阶堂富美主演了文艺电影《河畔的朔子》和《我的男人》 ，并凭借这两部电影获得第24届日本电影专业大赏主演女优赏 ，其中《我的男人》还拿下了第38届日本电 影学院赏优秀主演女优赏等多个殊荣；同年，二阶堂出演了冈田准一主演的大河剧《军师官兵卫》，并在剧中饰演了丰臣秀吉的妻子茶茶 ；6月，参演的电影《渴望》在日本上映；7月，与神木隆之介一起主演了由东野圭吾小说改编的电视剧《变身》；11月，与野村周平共演的音乐电影《日日摇滚》 在日本上映。2015年，二阶堂富美出演了坂元裕二编导的女权主义题材之作《问题餐厅》；2月，与涉谷昴一起主演了音乐治愈系电影《味园Universe》 ；4月，与松田龙平、阿部隆史、松隆子等人联合出演了喜剧电影《再见金钱，前往贫困村》；8月，与长谷川博己联合出演的时代电影《日本的天空下》在日本上映。2016年，二阶堂富美与大杉涟共同出演了电影《蜜之哀伤》，饰演妖艳魅惑的少女赤子 ；5月，搭档山崎贤人联袂主演的少女漫改电影《狼少女与黑王子》在日本首映 ；6月，在上映的温情电影《伤心往事》里与小泉今日子首次合作共演母女，该片以北品川为舞台，讲述本该死去的母亲与女儿在一个夏天里发生的感人故事 ；此外，二阶堂富美还与有村架纯、佐藤健、菅田将晖等人合作出演了第148届直木奖受赏小说改编的同名电影《何者》 ，饰演“有强烈意识”的大学毕业生小早川理香 。参演7月17日起在NTV播出的电视剧《最后谁都不在》 。主演9月23日播放的NTV特别剧《热血老师》 。10月1日，与福山雅治合作主演的剧情片《SCOOP》（又名《独家新闻》）上映，在片中扮演新人记者行川野火 。