早年经历
二阶堂富美从小喜欢看电影，被星探挖掘后，12岁时登上了《冲绳美少女图鉴》，之后成为时尚杂志Nicola的专属模特
演艺经历
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《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 ；7月，与藤原龙也、伊野尾慧、黑木瞳等人合作出演悬疑剧《遗失身份》 ；9月，主演的SP特别剧《热血老师》在日本电视台首播 ；10月1日，与福山雅治合作主演的剧情片《独家新闻》上映，在片中扮演新人记者行川野火 。
2017年，与升野英知、若林正恭合作日本电视台一月开播的新型日剧《住住》，在剧中饰演本人 ；4月，在绫野刚主演的爱情剧《弗兰肯斯坦之恋》中饰演和怪物坠入禁断之恋的大学生津轻继实；同年，与吉泽亮双主演根据漫画家冈崎京子原作改编的真人版电影《我很好》 。
2018年4月，与斋藤工共演悬疑剧《侦探物语》 。7月，出演电视剧《在这世界的角落》，在剧中饰演白木凛 。同年，与GACKT共演漫改电影《飞翔吧埼玉》。
2019年4月11日，其与龟梨和也共同主演的刑侦剧《草莓之夜·SAGA》开播，在剧中扮演警视厅搜查一课的女班长姬川玲子 。9月13日，其出演的电影《人间失格》上映。主演漫画改编真人电影《生理酱》。出演2020年上半年播出的晨间剧《YELL》 。2019年8月，出演电影《糸》。
