那覇市から島尻郡大里村（現在の南城市）に転居し、同村の村立中学校に在学中の2001年に女子小中学生向けファッション雑誌『ニコラ』のオーディションに応募し[注 2]、グランプリを獲得[12][13][14]。2005年春ニコモを卒業するまでに『ニコラ』の表紙モデルとして当時最多となる15回登場している[12][14]。
その後、『ニコラ』の卒業を控えた2004年ごろからグラビアや女優業に進出[14][15]。かつてはグラビアアイドルとしても活動しており、主に少年誌の雑誌グラビアで活動を開始。初の写真集『ちゅら☆ちゅら』とイメージビデオ『XIANGYU シャンユイ?相偶』を2006年に発表。
バラエティ番組では、2005年10月から『落下女』にレギュラーとして出演[16]。
江崎グリコ「ポッキー」シリーズのCM（2006年 - 2008年）に出演[15]、同CMがきっかけとなりブレイクを果たした[14][15]。
女優としては、2005年に『Sh15uya』でドラマデビュー。ドラマ初主演は『トゥルーラブ』（2006年1月）。特に日本テレビの土9ドラマ枠では2クール連続で出演（『ギャルサー』と『マイ☆ボス マイ☆ヒーロー』）。
アニメの声優にも挑戦し、映画『超劇場版ケロロ軍曹』ではミララ役でゲスト出演、テレビアニメ『デジモンセイバーズ』では藤枝淑乃役でレギュラー出演した。
映画初出演は『ワルボロ』（2007年9月8日公開）で[14][17][18]。映画初主演は『恋するマドリ』（2007年8月18日公開）[7][14]。
歌手デビューは映画『恋するマドリ』の主題歌「メモリーズ」[9]。『COUNT DOWN TV』で（2007年11月3日放送)
歌番組初出演、「heavenly days」を歌唱。『デビューアルバム“そら”発売記念! SCHOOL OF LOCK!と新垣結衣のheavenly Xmas in 日本武道館[19]』を2007年12月21日に開催。
モデル業では、第6回東京ガールズコレクション（2008年3月15日）において、「BEST GIRL OF 2007」第1回グランプリを受賞[20]。
自筆の絵本『The Three Little Pigs（3匹の子ぶた）』が2010年、一般発売。（映画『ハナミズキ』で登場する絵本）。