1996年10月，4岁时以本名“八武崎碧”出道，隶属Central Group，在电影和电视剧里演出过。1999年至2002年出演富士电视台的综艺节目《果然如此！！秋刀鱼大师》《真是厉害！！秋刀鱼大师》。2003年，小学5年级时以《奇诺之旅》的樱的角色开始了声优的工作，以此为契机喜欢上声优职业。随后作为声优的活动大量增多，而作为演员的活动暂停，虽然名义上仍是演员但事实上已成为全职声优。2003年至2006年期间均是以“八武崎碧”名义为主。2006年底，离开Central Group。2007年8月，高中入学后正式加入Breath，改用艺名“悠木碧”。2008年8月，移籍到Pro Fit。并在《红》中以九凤院紫的角色第一次担任女主角声优。2009至2010年，随着《喵丸侦探基鲁敏》的御子神莉可、《梦色蛋糕师》的天野莓、《吸血鬼同盟》的米娜·柴佩西等角色的担任提高了作为声优的知名度。拥有明亮的中高音，擅长演任性少女和低燃少女，但仍可以演优等生、大小姐以至无口女等角色。2011年10月，因《魔法少女小圆》中担当女主角鹿目圆的出色表现，在“Newtype×マチ★アソビ アニメアワード（新型マチ★アソビ动画大赛）2011”获得声优主演女演员奖。2011年12月下旬，flying DOG宣布，悠木碧签约成为旗下歌手。2012年3月2日，获得第6回声优奖主演女声优赏 ，以19岁的年龄成为获得该奖项历代最年少的声优。2012年，在体育日刊的第一回动漫日刊大奖赛中获得MIP女性声优赏。2012年3月28日，以个人名义发售首张迷你专辑《プティパ》。2013年3月21日，宣布与声优竹达彩奈组成组合「petit milady」（プチミレディ） ，于5月15日环球音乐发行的该组合首张单曲《镜のデュアル・イズム/100%サイダーガール》作为契机出道 。2013年8月25日，以「petit milady」的名义第一次参加“Animelo Summer Live 2013-FLAG NINE-” 。2013年11月24日，在“ANIMAX MUSIX 2013”上以个人名义出演。2014年1月29日，以个人名义发售首张单曲《ビジュメニア》。2014年4月30日，发售第二张单曲《クピドゥレビュー》。