2000年，参加国小馆的时尚杂誌专门的试镜招募；虽然落选了，但加入了模特事务所ウィルコーポレーション(Will Corporation)。

2001年被选作宝洁洗髮产品第三代的Imagegirl而接拍广告出道。

2003年演出NHK 的晨间连续剧《晴朗家族》中三女岩田秋子的角色。

2004年主演电影《摇摆少女》，饰演主角铃木友子， 凭此电影获得第28届日本奥斯卡新人俳优赏及每日电影赏新人赏等殊荣。

2006年主演富士电视台月9档漫改日剧《交响情人梦》，饰演天真烂漫、不修边幅的天才钢琴手野田惠。

2007年2月，拍摄了纪录片《上野树里英国行》；5月，推出单曲《屁屁体操》，并且还拍摄了纪录片《情热大陆》；12月5日，推出单曲《爷爷的绘画信》，此曲曾被NHK的长寿音乐节目“大家的歌”推介播出过。

2008年4月，出演富士电视台春季木10日剧《Last Friends》，饰演性别认同障碍者的越野车手岸本瑠可，凭此角色获得2008ギャラクシー赏 （Galaxy Awards）之6月份月间赏、第12回日刊体育读者票选春季日剧助演女优赏和第57回日剧学院赏助演女优赏等奖项的肯定；6月底，电影《虹之女神》的编剧樱井亚美在自己的BLOG里提到，由她创作的作品「PLANETARIUM」改编的同名电影，在野边山拍摄的追加镜头的部份是由上野树里担任导演，里面也提及了上野参与分镜和拍摄的过程，这是上野第一次正式担任导演工作；8月23日，出席在日本神户举办的2008 KOBE COLLECTION A/W，担任时装秀压轴的神秘嘉宾；10月2日至4日，为宣传电影《咕咕是一只猫》，与导演犬童一心一起参加韩国第十三届釜山国际电影节，在当地受到了极大的欢迎；11月26日，获选为日本VOGUE杂誌所选出的2008年日本年度女性之一併参加了颁奖典礼，同届获奖的女艺人还有宫崎葵；12月9日，《交响情人梦》继2006年的电视剧及2008年初的特别篇后，宣布将于2009年开拍电影版，分成两部在2009年12月及2010年4月上映，原作者二之宫知子在连载漫画的kiss杂誌上也表示电影将会是故事的完结。

2009年9月，主演日本收费电视WOWOW台的短篇日剧《上野树里与5个包包》，以包为关键字，每集饰演一个不同的角色，并且每集搭配不同的导演和编剧，演出5种风格迥异的短篇故事，另外上野也亲自作曲并演唱了本剧的片尾曲《カバンのバンカ》；12月26日，日本各大新闻正式宣布2011年NHK大河剧《江～公主们的战国》将由上野树里主演。

2010年2月28日，为了宣传《交响情人梦最终乐章 前篇》在亚洲的上映，上野树里前往中国香港参加商场EVENT、首映典礼等现场活动；4月15日，搭档瑛太联袂主演富士电视台木十档连续剧《无法坦诚相对》，该剧是上野与瑛太的第8次合作；6月30日，发售了个人第三张单曲《えがおのはな》，并且该歌曲作为NHK《みんなのうた》节目6、7月份的主打歌曲。

2011年1月9日，与宫泽理惠、水川麻美、丰川悦司主演的大河剧《江公主们的战国》首播；4月20日，上野树里参加了AMUSE事务所（以桑田佳佑和福山雅治为首共53人）发起的临时组合“Team-Amuse”为东日本大地震进行赈灾义演活动，录製了歌曲《Let's try again》以及其MV，该歌曲及MV于起在各大电视台及广播中播出，该歌曲的CD于2011年5月29日发售；7月、8月、10月在滋贺、清须、福井三地以大河剧宣传为名义举行了三场大型赈灾募捐活动，并将募集到的所有款项赠与“こどもたちへ<あしたの本>プロジェクト”基金会，用于给灾后地区的孩子们购买书籍。

2012年3月拍摄的纪录片《上野树里之行！樱花前线大追迹～》在日本播出；4月，举办书籍《ものづくりの楽しさ発见！上野树里とナニカをツクル旅》签售会；除此之外2012年间并未参加任何其他工作，事务所官方称是休息调整一年。

2013年10月12日，与玉山铁二、大仓孝二、谷村美月主演的电影《向阳处的她》首映，该电影根据累计发行数超过100万部的越谷OSAMU的畅销小说改编，于13年1月中旬正式开拍。

2014年4月，上野树里主演TBS《爱丽丝之棘》开播，在剧中她饰演将复仇贯穿自己人生的医生，深刻揭露大学医院医生制度的腐朽，成为医生版半泽直树。

2015年1月，与生田斗真、小栗旬主演电视剧《无间双龙》，在剧中饰演一名从东大毕业的刑警，拥有超强的正义感和敏锐直觉；与韩国男子组合Bigbang成员崔胜贤合拍日韩共同製作的电视剧《Secret Message》，并于11月2日在日本dTV电视台播出；9月，主演了由棚田由纪执导的喜剧电影《父亲与伊藤先生》，这也是其时隔两年再次主演电影；11月30日，与财前直见、檀丽联合出演的悬疑日剧SP《这本悬疑小说真棒！来自畅销作家的挑战书2》在日本TBS电视台播出。

2016年1月，搭档香取慎吾接拍TBS电视台1月播出的新剧《家族的形式》，饰演年龄32岁有一次离婚经历的彆扭女，该剧则是上野树里与香取慎吾的首次合作；5月，加盟土屋太凤主演的漫改电影《青空吶喊》，饰演指导女主角小野演奏的音乐老师。

2018年7月，其出演的医疗剧集《Good Doctor 善良医生》开播，她在剧中饰演小儿外科医生濑户夏美，凭藉该剧获得得第98届日剧学院奖最佳女配角奖。

2019年7月8日，主演漫改剧集《监察医朝颜》首播。她在剧中饰演新人法医学者万木朝颜。

2016年4月，正式公开宣布与3人摇滚乐队主唱Triceratops主唱兼吉他手和田唱热恋中，感情稳定已达谈婚论嫁阶段。

2016年5月26日，上野树里通过事务所公布与和田唱结婚的讯息。

2016年7月21日，在东京出席电影《青空吶喊》的完成披露见面会，婚后首次出席活动的她在活动结束后得到媒体祝福，面带开心微笑离开会场。

眉宇中的英气、眼神中的坚定、言谈举止中透露出的率真，上野树里绝对不是“大和抚子（清雅美态的日本女性）”式的日本美女。但就是她在同期新人中的唯一性，让她脱颖而出。（搜狐娱乐 评）

演戏的时候非常集中，属于即便没有镜头在也会持续着琢磨角色的类型。在片场的言行举止是我们的模範。但私底下也是一个很健谈开朗的人，如果有机会的话，还想和她再度合作。（松本润 评）

“我可不想当演员。演员不就意味着背台词儿、给导演骂幺？绝对不要！”曾经讨厌当演员的上野树里如今已是炙手可热的日本新生代红星了。影视双栖、佳作迭出的树里星路正一片大好。她的容貌说不上艳冠群芳，露齿一笑却有着无敌的灿烂，而短髮的中性打扮更是帅气逼人。有扮相、有演技、有挑战心、有亲和力，或许，这个童年时代不曾做过明星梦的女孩天生就是演员胚子，而她与众不同的存在感正源自于与生俱来的率真箇性。（时光网 评）