福岡県春日市出身。イトーカンパニーグループ所属。
福岡市立東箱崎小学校､筑紫女学園中学校、堀越高等学校経て、日本大学芸術学部演劇学科中退。
小学生の頃から地元のモデル事務所に所属してCMや広告（小学生時代に少女雑誌の記事で栗山千明と共演したことがある）に出演しており、1999年に約1万人の中からミュージカル『アニー』のポリー役に選ばれデビューした。1999年夏に、オーディション情報誌『月刊デ・ビュー』（オリコン・エンタテインメント刊）の「夏の特別オーディション」企画に掲載されていたタレント募集の中から現事務所に応募し、以来所属している。
2001年には、岩井俊二監督の『リリイ・シュシュのすべて』で映画初出演。その後、2002年、三井のリハウスの10代目リハウスガールに選ばれ、2003年、『高校教師』で初めて連続ドラマにレギュラー出演するなど、活躍の場を広げていった。
2005年、7本の映画出演作が公開され、『ニライカナイからの手紙』で単独初主演を果たした。
2006年、第11回釜山国際映画祭にて行われたスターサミットアジア2006に参加し、これからアジアの映画を担っていく女優として市原隼人、香椎由宇らと共にカーテンコールの1人に選ばれた。映画『鉄コン筋クリート』では声優に初挑戦。以降も女優業だけでなく『ミヨリの森』や『いけちゃんとぼく』等で声優にも挑戦している。
2006年度は、映画『フラガール』などでの好演が認められ、第30回日本アカデミー賞最優秀助演女優賞、第49回ブルーリボン賞主演女優賞をはじめ、多くの映画賞を受賞した。
2008年、ドラマ『おせん』で連続ドラマ初主演。映画出演が多く続き、連続ドラマ出演はこれが2年ぶりとなった。
2010年、大河ドラマ『龍馬伝』でヒロインの一人、元役で大河ドラマ初出演。
母親は大阪の出身で、娘を宝塚歌劇団に入れるのが夢だったという。
新潮社『ニコラ』では本名で読者モデルオーディションを受けたが、その後すぐ現在の事務所に所属になり、蒼井優としてモデル活動を始めた。
小学生の頃、学校でイジメが流行り、本人も何かがきっかけでイジメの標的になってしまったことがある。
本人曰く「自分は個性がないところが個性だ」。
宮﨑あおいとは仲が良く、映画『害虫』やドラマ『青と白で水色』、CM『ファイブミニ』、雑誌、など多くの機会で共演しており、お互いを「あおい」、「優」と呼び合っている。
上野樹里ともプライベートで親交がある。
『クワイエットルームにようこそ』では、摂食障害の役のため、役作りで体重を7kg落としたという（松尾スズキ談）。
2004年、『花とアリス』で訪れた第9回釜山国際映画祭で、韓国での映画の熱狂ぶりと日本映画の認知度の低さに驚き、日本映画にもっと深く関わっていきたいと思うようになる。
JRAのCMで共演している小池徹平とは高校の同級生で席も隣同士だったが、高校時代は口を利いたこともなかった。後に『僕らの音楽』では小池との対談が実現し、当時のぎこちないやり取りなど思い出話を語っている。現在は打ち解けて仲も良く小池のことも「徹っちゃん」と呼んでいる。
ゲームソフト『ポケットモンスター』シリーズのファンであり、2006年には『ポケットモンスターダイヤモンド・パール』CMに出演した他、ゲーム雑誌『CONTINUE』（太田出版）Vol.31の表紙を飾ると共にインタビューが掲載されている。
年齢より若く見られることがよくある。時には中学生に間違えられることもあったとテレビ等で語っている。
チャットモンチーのファンで、携帯の機種を変更する前はシャングリラがアラーム音だった。
女優をはじめたきっかけは東京に遊びに来る理由が欲しかったから。
絶対音感の持ち主だが、本人曰く自分は「音痴」なので、歌っていると気持ち悪いという。
顔立ちが宮崎あおいに似ている事からかよく宮崎あおいと間違えられることがある。ちなみに、東海道山陽新幹線の700系にも似ている。
リリイ・シュシュのすべて（2001年）-津田詩織役
キネマ通りの人々（2002年）-ヒカリ役
害虫（2002年）-山岡夏子役
走れ!ケッタマシン ウエディング狂騒曲 （2002年）-榊原幸子役
MemoiRメモワール（ショートフィルム）（2003年）-サユリ役
偶然にも最悪な少年（2003年）-原田の彼女役
花とアリス（ショートフィルム）（2003年）
1980（2003年）-羽柴リカ役
花とアリス（2004年）-主演・有栖川哲子役
MASKDE41（2004年）-倉持ハルカ役
海猫（2004年）-野田美哉役
鉄人28号（2005年）-立花真美役
ニライカナイからの手紙（2005年）-主演・安里風希役
亀は意外と速く泳ぐ（2005年）-扇谷クジャク役
星になった少年LittleRandyandShiningBoy（2005年）-村上絵美役
変身（2005年）-葉村恵役
男たちの大和/YAMATO（2005年）-野崎妙子役
ハチミツとクローバー（2006年）-花本はぐみ役
シュガー&スパイス風味絶佳（2006年）-カメオ出演
フラガール（2006年）-谷川紀美子役
虹の女神（2006年）-佐藤かな役
鉄コン筋クリート（2006年）-声優シロ役
蟲師（2007年）-淡幽役
クワイエットルームにようこそ（2007年）-ミキ役
人のセックスを笑うな（2008年）-えんちゃん役
明日への遺言（2008年）-守部和子役
百万円と苦虫女（2008年）-主演・佐藤鈴子役
TOKYO!（2008年）-ピザ配達の少女役
ホノカアボーイ（2009年）-カオル役
いけちゃんとぼく（2009年）-声優いけちゃん役
おとうと（2010年）-高野小春役
のだめカンタービレ最終楽章後編（2010年）-吹き替えヤドヴィガ役
FLOWERS-フラワーズ-（2010年）-凛役
REDLINE（2010年）-声優ソノシー役
雷桜（2010年）-遊役
洋菓子店コアンドル（2011年）-臼場なつめ役
たまたま（2011年）
Vampire（2011年公開予定）-Mina役
東京家族-間宮紀子役
るろうに剣心（2012年公開予定）-高荷恵役