泷本美织在念小学时就已经开始上舞台训练班 。2003年8月，泷本美织参与的日本五人组合SweetS成立。2006年6月1日，SweetS宣布解散。2008年，泷本美织被选为电影《彼岸岛》的女主角，实现演员出道。2011年7月，韩剧的翻拍版《原来是美男啊》开播，泷本美织在剧中饰演双胞胎中的妹妹美子，代替哥哥美男成为摇滚乐队A.N.JELL的主唱，该剧主要讲述她和乐队成员们的青春以及恋爱故事 。2010年，泷本美织当选为早间小说连续剧《铁板》中的女主角村上明里 。2012年1月，泷本美织出演的《Hungry》在富士台开播，饰演的是女大学生大楠千绘 。7月，泷本美织主演的《麻辣教师GTO》开播 。10月，泷本美织主演的日剧《完美的蓝色》开播，泷本美织在剧中饰演莲见侦探事务所的调查员莲见加代子 。 2013年7月20日，由宫崎骏亲自负责导演及脚本的《起风了》在日本全国公映，泷本美织在片中为女主角里见菜穗子配音 。9月1日，作为威尼斯影展主竞赛影片的《起风了》举行发布会，泷本美织现身 。2014年1月，泷本美织出演的TBS剧《Dr.DMAT》播出，她在剧中饰演主角八云响的妹妹八云春子 。5月，泷本美织确定饰演日本电视台SP悬疑剧《杀人偏差值70》主人公圭介高中时代的女友理佳子 。7月7日，由泷本美织出演的富士台夏季SP剧《空姐刑事~纽约杀人事件》播出，泷本美织的角色是因为喜欢电影，从而成为空乘想要免费去各种电影外景地游览的渡部结 。11月26日，泷本美织作为女子乐团LAGOON的主唱实现乐队出道，发行单曲《君の待つ世界》 。2015年2月，泷本美织确认再任主演，出演以3·11东日本大地震中受灾的草裙舞女孩以及爱犬的真实故事为原型的特别连续剧《草裙舞女孩和狗狗的巧克力》，并且作为一部地震题材的特别连续剧，该剧于3·11地震发生第四周年的3月11日开始登陆东京电视台晚间档 。2016年10月9日，泷本美织出演的富士台电视剧《暴走警探》首播，她在剧中饰演希望自己尽快能独当一面的女刑警相川实里。