2007年，二階堂富美憑借出演電視劇《考試之神》作為演員出道。
2009年，在役所廣司執導的劇情片《蛤蟆的油》中首次登上電影舞臺；6月，出演了南明奈主演的手機劇《草莓研究班》；同年還出演了電影《天空說》。
2010年，二階堂參演了電影《8mimi》；10月，出演了小田切讓主演的犯罪推理日劇《熱海的搜查官》。
2011年，二階堂富美憑借園子溫執導的電影《庸才》，與飾演男主角的染谷將太壹起獲得第68屆威尼斯電影節最佳新人獎 ，並且她還獲得了第36屆日本電影學院獎最佳新人 ；4月，主演了音樂電影《劇場版 神聖放逐樂隊 停不下來的搖滾樂》，並憑此片獲得了第3屆TAMA電影賞最優秀新進女演員 和第26屆高崎電影節最優秀助演女優賞，這也是其首次擔任電影的主演；7月，出演了仲間由紀惠主演的歷史戰爭片《暴風雨》；11月，出演了山田孝之主演的現代愛情電影《我想戴上戒指》，並在劇中飾演了壹位謎樣滑冰少女 。
2012年，二階堂富美出演了松山健壹主演的大河劇《平清盛》，在劇中飾演了平德子壹角；4月，出演了岡田將生主演的科幻日劇《未來日記：另壹個世界》；9月，二階堂與菅田將暉聯合主演了漫改電影《國王與我》；11月，還出演了伊藤英明主演的恐怖驚悚電影《惡之教典》，她在劇中飾演了僥幸逃過了男主角屠殺存活下來的女學生片桐憐花。
2013年，二階堂富美參演了生田鬥真主演的電影《腦男》；9月，出演了園子溫執導的集戀愛、暴力、動作、青春等元素融為壹體的群像電影《地獄為何惡劣》 ；11月，出演的美食電影《四十九天的食譜》在日本上映；憑借這三部作品，二階堂在13年獲得了第56屆藍絲帶賞最優秀助演女優賞和第35屆橫濱電影節最優秀助演女優賞。
2014年，二階堂富美主演了文藝電影《河畔的朔子》和《我的男人》 ，並憑借這兩部電影獲得第24屆日本電影專業大賞主演女優賞 ，其中《我的男人》還拿下了第38屆日本電影學院賞優秀主演女優賞等多個殊榮；同年，二階堂出演了岡田準壹主演的大河劇《軍師官兵衛》，並在劇中飾演了豐臣秀吉的妻子茶茶 ；6月，參演的電影《渴望》在日本上映；7月，與神木隆之介壹起主演了由東野圭吾小說改編的電視劇《變身》；11月，與野村周平***演的音樂電影《日日搖滾》 在日本上映。
2015年，二階堂富美出演了阪元裕二女權主義社會題材之作《問題餐廳》；2月，與涉谷昴壹起主演了音樂治愈系電影《味園Universe》 ；4月，與松田龍平、阿部隆史、松隆子等人聯合出演了喜劇電影《再見金錢，前往貧困村》；8月，與長谷川博己聯合出演的時代電影《日本的天空下》在日本上映。
2016年，二階堂富美與大杉漣***同出演了電影《蜜之哀傷》，飾演妖艷魅惑的少女赤子 ；5月，搭檔山崎賢人聯袂主演的少女漫改電影《狼少女與黑王子》在日本首映 ；6月，在上映的溫情電影《傷心往事》裏與小泉今日子首次合作***演母女，該片以北品川為舞臺，講述本該死去的母親與女兒在壹個夏天裏發生的感人故事 ；同年在福山雅治主演的劇情片《SCOOP》 裏扮演新人記者行川野火；此外，二階堂富美還與有村架純、佐藤健、菅田將暉等人合作出演了電影《何者》 。