2007年，参演森山直太朗的歌曲《太阳のにほひ》的MV。

2008年5月24日，首次担任主演的银幕处^{自编x131521c}作《锚を投げろ》^{自编x1315211}日本上映；同年，^{自编x1315221}阿部宽主演的暗黑校园电影《青鸟》里饰演了^{自编x131522c}学生^{自编x1315216}山舞。

2009年，参演香里奈主演的社会职场^{自编x1315210}《真我霓裳》第7集。

2010年，^{自编x1315219}演根据推理小说作家凑佳苗同名原作改编的悬疑电影《告白》。

2011年，与大政绚、染谷将太^{自编x1315215自编x1315214}合作^{自编x1315229}演了^{自编x1315220}情^{自编x1315226}《说谎的^{自编x131521b}孩与坏掉的女孩》。

2012年，在与安田章大、莲佛美沙子、远藤要^{自编x1315225自编x1315224}联袂出演的奇幻日剧《屠龙青年团》里饰演了憧憬东京生活的女孩“ユカ”。

2013年5月5日，在白石隼也主演的特摄剧《假面骑士Wizard》的第34、35集中登场；同年11月，与吉仓葵、柳乐优弥合作共演的青春爱情电影《能不能原谅你，我想想看》在日本上映。

2014年，新木优子开始担任集英社杂志《non-no》的专属模特；同年10月1日，与音乐组合GalileoGalilei合作的单曲PV《Mrs.Summer》公开。

2015年，在与中川大志、武田玲奈、山崎紘菜合作出演的漫改日剧《监狱学园》里饰演了性格阳光直率的女学生“横山杏子”；10月10日，与特林德尔·玲奈、森宽和联合出演的美食剧《在蒂凡尼吃早餐第1季》在日本NTV电视台播出；12月18日，发售个人的首本照片书《新木优子photobookfirst.》；同年，新木优子还与尾藤亚衣、小桥宏美、仁科爱联袂出演了悬疑电影《家族游戏》中的单元故事《贫乳俱乐部》。

2016年1月30日，主演的温情电影《风之信》在日本上映；3月19日，参加了国立代代木竞技场第一体育馆举办的第22届“TOKYOGIRLSCOLLECTION2016SPRING/SUMMER”大型时装秀活动；7月，在北川景子主演的社会剧《卖房子的女人》中饰演了对卖房的事情漠不关心的前台小姐“室田まどか”；同月，新木优子还主演了富士电视台出品的科幻剧《恋恋外星人》，而这也是其首次担任连续剧的主演；9月24日，与志田未来、龙星凉等人联袂出演的纯爱电影《爱哭鬼皮埃罗的婚礼》在日本首映；同年，新木优子还主演了大学生就职题材电影《实习期》，饰演宽松世代的主人公“川仓晴香”。

2017年1月，与中岛裕翔联袂出演的美食电影《明天也有好吃的饭》在日本首映，并在该片中扮演了性格开朗向上的女生“上村小春”；4月，在与小栗旬、西岛秀俊、田中哲司等人合作共演的刑侦剧《CRISIS公安机动搜查队特搜组》中饰演了技术高超的网络情报分析专家“大山玲”；同月，新木优子还参演了野田洋次郎主演的东京电视台深夜剧《百万日元的女人们》，并凭借在两部剧中的表现获得了第8届电视剧信心奖最佳新人奖；6月，确定担任悬疑电影《恶与假面的规则》的女主角，并在该片中挑战出演女公关角色；7月，在山下智久主演的医疗剧《CodeBlue3》中饰演了新加入急救直升机团队的医生“横峯あかり”；同月18日，发行个人的首本写真集《女朋友》；10月，出演玉森裕太主演的刑侦剧《重要参考人侦探》；同年，还与吉泽亮、杉野遥亮合作共演2018年上映的漫改电影《那个女孩的、俘虏》。

2018年1月，出演由山崎贤人主演的电视剧《绝命之吻》播出，剧中饰演资产百亿气质S的公主并树美尊；7月28日，出演的医疗剧《CodeBlue特别篇-另一个战场-》播出；10月，出演的电视剧《金装律师》播出，饰演圣泽真琴。

2019年1月7日，富士台刑侦剧《Trace~科搜研之^{自编x131522b}~》开播，^{自编x1315212}在剧中扮演新人法医泽口。同年，和高良健吾主演《前男友狂》，10月起将在富士电视台播出。

2020年2月24日，参演的电影《没有输给美国的男人～混蛋首相吉田茂～》上映。4月13日，其参演的富士台月九剧《金装律师2》开播，在剧中^{自编x1315222}继续扮演圣泽真琴。10月18日，主演的电视剧《海妖的忏悔》播出。

2021年7月4日，参演的电视剧《我的^{自编x1315218}意恋爱了》播出。7月9日，参与配音的剧场版动画《活了100天的鳄鱼》在日本上映。

2022年6月17日，参演的电影《巴斯克维尔的猎犬夏洛克剧场版》上映。7月7日，出演的电视剧《六本木CLASS》播出。9月17日，参演的电视剧《神探伽利略禁断的魔术》播出。

2023年6月9日，主演的电影《SEEHEARLOVE~看不见听不见也爱你~》在网络平台播出，饰演女主相田响。9月14日，参演的电影《小红帽在旅途中遇到尸体》上线Netflix，饰演灰姑娘；10月14日，主演的电视剧《单身花日》播出，在剧中饰演武田花。

2024年1月14日，出演的1月TBS日九剧《再见了指挥大师~父亲与我的热情~》播出。3月，《大将军归来》宣布追加新木优子，饰演大将军摎，将在7月12日上映；9月27日，参演的电影《不方便的记忆》上映。

2025年7月4日，参演的电视剧《DOPE缉毒部特搜课》播出；10月11日，主演的电视剧《好孩子坏孩子》播出。

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