2003年，因為主演喜劇電影《機器人競賽》，初涉影視圈的長澤雅美就獲得了第27屆日本電影學院獎新人獎。這部電影講述的robocon是日本一個始於1988年的高校機器人小組比賽。長澤雅美飾演的葉澤裡美是一個懶散的高中女生，對生活的一切都感到厭倦。一次偶然的機會，她參加了學校的機器人社團，和另外3個男生一起進入了這項比賽的預賽，並最終進入決賽。
2004年，憑藉現象級純愛電影《在世界中心呼喚愛》，長澤雅美獲得第28屆日本電影學院獎最佳女配角獎。《在世界中心呼喚愛》根據日本小說家片山恭一的同名小說改編，由坂元裕二、行定勳等人編劇，行定勳執導，講述了男主角朔太郎到四國尋找忽然失蹤的未婚妻律子，在那裡，他卻不禁想起了當年在這裡邂逅的初戀情人亞紀和那些初戀的回憶。長澤雅美飾演青春活潑的亞紀。
2006年，另一部純愛電影《淚光閃閃》使長澤雅美獲得了第30屆日本電影學院獎最佳女主角提名。《淚光閃閃》原本是日本歌手森山良子為了寄託對去世的哥哥的思念所作詞的一首歌曲，這部電影正是以這首歌為主題，闡述了一對沒有血緣關係的兄妹之間的愛情故事。長澤雅美飾演的小薰是妻夫木聰飾演的洋太郎名義上妹妹，總是滿臉帶笑，她喜歡哥哥，但礙於外人的眼光與現實生活的拮据，始終不能衝開「兄妹」的枷鎖。
2007年，長澤雅美在日本富士電視臺播出的純愛劇《求婚大作戰》中飾演女主角吉田禮。《求婚大作戰》由山下智久、長澤雅美主演，講述了主人公巖瀬健一直暗戀青梅竹馬吉田禮卻沒能告白，在參加她婚禮之時，藉助妖精之力回到過去來完成他告白之路的故事。
2008年，長澤雅美主演由加藤裕將執導的電視劇《最後的朋友》。《最後的朋友》由上野樹裡、長澤雅美、錦戶亮、瑛太等人主演，講述了受傷的三個人同在一個屋簷下，通過與人交往，獲得了繼續生活的勇氣的故事。長澤雅美飾演的藍田美知留成長於單親家庭，性格開朗但優柔寡斷，她漸漸意識到談心對象小武的存在，卻難以割捨戀人宗佑。
2009年，長澤雅美首度出演大河劇《天地人》。該劇改編自火坂雅志的同名小說，講述戰國時代名將直江兼續波瀾壯闊的一生的故事。長澤雅美飾演的初音是一個忍者，自由來往於各國，精通遙遠異國的事情，有著能夠看透世間形勢、決定應該跟從誰的能力，同時她天真浪漫，喜歡珍奇的東西，也有把失去興趣的東西拋棄的殘酷一面，在不知不覺中，她被男主角兼續直爽的性格所吸引。
2011年，在愛情喜劇片《桃花期》中，長澤雅美以直率性感的短髮造型示人，獲得第54屆日本電影藍絲帶獎最佳女配角獎。《桃花期》根據同名漫畫改編，主要講述一名意志消沉的男人幸世突然走上了桃花運，通過戀愛逐漸成長的故事。長澤雅美飾演的松尾美由紀是一個26歲，擁有可愛笑容的雜誌編輯。
2015年，在是枝裕和執導的影片《海街日記》中，長澤雅美飾演灑脫獨立、喜歡喝酒的二姐香田佳乃，憑藉這個角色，她獲得第70屆日本每日映畫大獎最佳女配角獎，併入圍了第39屆日本電影學院獎最佳女配角獎。《海街日記》改編自吉田秋生創作的同名漫畫，講述了三姐妹在父親去世後接納同父異母的妹妹共同生活的故事。
2014年、2015年，長澤雅美出演了吳宇森執導的災難愛情片《太平輪》。有影評人指出，在《太平輪》中，作為金城武最純真的一抹初戀，她如夢如幻的出鏡為電影加分不少；無論是浴衣式和服，抑或學生裝，長澤雅美的清甜氣息都是《太平輪》上的一汪治癒清泉。
2016年，長澤雅美出演日本NHK電視臺播出的大河劇《真田丸》，該劇由堺雅人主演，草刈正雄、大泉洋、長澤雅美、黑木華等共同出演。該劇講述了日本戰國時代末期，武將真田信繁以及真田一族在亂世中努力求生的故事。長澤雅美出演真田信繁的人生伴侶阿桐，她是真田信繁的側室，真田家重臣高梨內記的女兒，個性爽直，曾侍奉過寧寧、細川玉子、澱殿等知名戰國女性。從青春時代到大坂之陣，一直陪伴信繁走過波瀾起伏的人生。
2017年，在科幻懸疑片《散步的侵略者》中，長澤雅美飾演因丈夫的奇怪言行飽受衝擊的妻子加瀨鳴海，由此獲得了第72屆日本每日映畫大獎最佳女主角獎。
2018年，憑藉懸疑喜劇《行騙天下JP》，長澤雅美獲得第97屆日劇學院獎最佳女主角和第12屆「CONFiDENCE日劇大獎」最佳女主角。該劇講述了三個詐欺師用不可思議的計劃從各行各業充滿欲望的人那裡詐騙巨款的故事，在劇中，長澤雅美飾演擁有天才智慧及出色集中力的詐欺師領導人達子。該劇是長澤雅美繼2007年4月《求婚大作戰》後時隔11年再度主演富士臺月九檔劇集。同名電影於2019年5月上映。