2003年，因为主演喜剧电影《机器人竞赛》，初涉影视圈的长泽雅美就获得了第27届日本电影学院奖新人奖。这部电影讲述的robocon是日本一个始于1988年的高校机器人小组比赛。长泽雅美饰演的叶泽里美是一个懒散的高中女生，对生活的一切都感到厌倦。一次偶然的机会，她参加了学校的机器人社团，和另外3个男生一起进入了这项比赛的预赛，并最终进入决赛。

2004年，凭借现象级纯爱电影《在世界中心呼唤爱》，长泽雅美获得第28届日本电影学院奖最佳女配角奖。《在世界中心呼唤爱》根据日本小说家片山恭一的同名小说改编，由坂元裕二、行定勋等人编剧，行定勋执导，讲述了男主角朔太郎到四国寻找忽然失踪的未婚妻律子，在那里，他却不禁想起了当年在这里邂逅的初恋情人亚纪和那些初恋的回忆。长泽雅美饰演青春活泼的亚纪。

2006年，另一部纯爱电影《泪光闪闪》使长泽雅美获得了第30届日本电影学院奖最佳女主角提名。《泪光闪闪》原本是日本歌手森山良子为了寄托对去世的哥哥的思念所作词的一首歌曲，这部电影正是以这首歌为主题，阐述了一对没有血缘关系的兄妹之间的爱情故事。长泽雅美饰演的小薰是妻夫木聪饰演的洋太郎名义上妹妹，总是满脸带笑，她喜欢哥哥，但碍于外人的眼光与现实生活的拮据，始终不能冲开“兄妹”的枷锁。

2007年，长泽雅美在日本富士电视台播出的纯爱剧《求婚大作战》中饰演女主角吉田礼。《求婚大作战》由山下智久、长泽雅美主演，讲述了主人公岩瀬健一直暗恋青梅竹马吉田礼却没能告白，在参加她婚礼之时，借助妖精之力回到过去来完成他告白之路的故事。

2008年，长泽雅美主演由加藤裕将执导的电视剧《最后的朋友》。《最后的朋友》由上野树里、长泽雅美、锦户亮、瑛太等人主演，讲述了受伤的三个人同在一个屋檐下，通过与人交往，获得了继续生活的勇气的故事。长泽雅美饰演的蓝田美知留成长于单亲家庭，性格开朗但优柔寡断，她渐渐意识到谈心对象小武的存在，却难以割舍恋人宗佑。

2009年，长泽雅美首度出演大河剧《天地人》。该剧改编自火坂雅志的同名小说，讲述战国时代名将直江兼续波澜壮阔的一生的故事。长泽雅美饰演的初音是一个忍者，自由来往于各国，精通遥远异国的事情，有着能够看透世间形势、决定应该跟从谁的能力，同时她天真浪漫，喜欢珍奇的东西，也有把失去兴趣的东西抛弃的残酷一面，在不知不觉中，她被男主角兼续直爽的性格所吸引。

2011年，在爱情喜剧片《桃花期》中，长泽雅美以直率性感的短发造型示人，获得第54届日本电影蓝丝带奖最佳女配角奖。《桃花期》根据同名漫画改编，主要讲述一名意志消沉的男人幸世突然走上了桃花运，通过恋爱逐渐成长的故事。长泽雅美饰演的松尾美由纪是一个26岁，拥有可爱笑容的杂志编辑。

2015年，在是枝裕和执导的影片《海街日记》中，长泽雅美饰演洒脱独立、喜欢喝酒的二姐香田佳乃，凭借这个角色，她获得第70届日本每日映画大奖最佳女配角奖，并入围了第39届日本电影学院奖最佳女配角奖。《海街日记》改编自吉田秋生创作的同名漫画，讲述了三姐妹在父亲去世后接纳同父异母的妹妹共同生活的故事。

2014年、2015年，长泽雅美出演了吴宇森执导的灾难爱情片《太平轮》。有影评人指出，在《太平轮》中，作为金城武最纯真的一抹初恋，她如梦如幻的出镜为电影加分不少；无论是浴衣式和服，抑或学生装，长泽雅美的清甜气息都是《太平轮》上的一汪治愈清泉。

2016年，长泽雅美出演日本NHK电视台播出的大河剧《真田丸》，该剧由堺雅人主演，草刈正雄、大泉洋、长泽雅美、黑木华等共同出演。该剧讲述了日本战国时代末期，武将真田信繁以及真田一族在乱世中努力求生的故事。长泽雅美出演真田信繁的人生伴侣阿桐，她是真田信繁的侧室，真田家重臣高梨内记的女儿，个性爽直，曾侍奉过宁宁、细川玉子、淀殿等知名战国女性。从青春时代到大坂之阵，一直陪伴信繁走过波澜起伏的人生。

2017年，在科幻悬疑片《散步的侵略者》中，长泽雅美饰演因丈夫的奇怪言行饱受冲击的妻子加濑鸣海，由此获得了第72届日本每日映画大奖最佳女主角奖。

2018年，凭借悬疑喜剧《行骗天下JP》，长泽雅美获得第97届日剧学院奖最佳女主角和第12届“CONFiDENCE日剧大奖”最佳女主角。该剧讲述了三个诈欺师用不可思议的计划从各行各业充满欲望的人那里诈骗巨款的故事，在剧中，长泽雅美饰演拥有天才智慧及出色集中力的诈欺师领导人达子。该剧是长泽雅美继2007年4月《求婚大作战》后时隔11年再度主演富士台月九档剧集。同名电影于2019年5月上映。