2004年5月10日、レギュラー出演していた『saku saku』の企画でシングル「Level42」を390枚限定で販売したところ、発売当日3分で完売[12]。6月23日に1stシングル「Level42」で日本コロムビアからメジャー・デビュー[10]。12月8日に1stアルバム『KAELA』を発売、オリコン週間アルバムランキングで初登場8位を獲得[13]。

2005年3月30日に3rdシングル「リルラ リルハ」を発売、オリコン週間シングルランキングで初登場3位を獲得。同年春にセブンティーンモデルを卒業。10月5日に奥田民生プロデュースによる4thシングル「BEAT」を発売、同月29日に奥田と共演した初主演映画『カスタムメイド10.30』が公開され、女優デビューを果たした[14]。

2006年2月、キリンラガーCMソングのために“Sadistic Mica Band Revisited”として限定復活したサディスティック・ミカ・バンドにフィーチャリング・ボーカリストとして参加[15]。正式に再結成されたサディスティック・ミカ・バンドのボーカルに迎えられ、10月25日にカエラの名前を入れた“Sadistic Mikaela Band”名義で、バンドとしては約17年ぶりとなる復活アルバム『NARKISSOS』をリリース[16]。

2007年2月14日に3rdアルバム『Scratch』を発売、自身初のオリコン週間アルバムランキング1位を獲得[17]。4月10日に全国ツアー『LIVE TOUR 2007「Scratch」?上がってますってばTOUR?』を開始し、6月15日に全国ツアーの追加公演で、自身初の日本武道館での単独ライブを行った[18]。12月8日、日本武道館で行われたチャリティライヴ、『Dream Power ジョン・レノン スーパー・ライヴ2007』に出演し、奥田民生と「In My Life」で共演した[19]。12月19日・20日、自身が企画したイベント「オンナク祭オトコク祭」を開催[20]。

2008年、CGアニメ『The World of GOLDEN EGGS』とコラボレーションした日産自動車『NOTE』のテレビCMで自身初となるアニメ声優に挑戦[21]。

2009年7月11日、神奈川県横浜市の横浜赤レンガパーク野外特設ステージにおいてデビュー5周年を記念した自身初の野外ライブを開催、観客2万2000人を動員[22]。12月31日、第60回NHK紅白歌合戦に初出場、「Butterfly」を披露。

2010年2月3日、初のベスト・アルバム『5years』発売[23]。6月1日、公式サイトで俳優の瑛太との結婚を発表、同時に妊娠5ヶ月であることも公表した[24]。6月9日に15thシングル『Ring a Ding Dong』を発売し、デビュー6年で自身初のオリコン週間シングルランキング1位を獲得[25]。10月28日に第一子（男の子）を出産したことを発表[26]。

2013年4月、日本コロムビアとの契約を満了し、ビクターエンタテインメントに移籍。5月15日、第2子を妊娠中（妊娠5カ月）であることを公式サイトにて発表[27]。彼女のデビュー9周年記念日となる6月23日、ビクターエンタテインメント内に女性ミュージシャン初となるプライベートレーベル「ELA」（エラ）を設立。また同社としては史上最年少のレーベル代表にも就任し、アパレル等の商品開発など音楽以外のプロデュースにも乗り出すことを発表[28][29][30]。レーベル名は自身の名前のアルファベット表記「KAELA」にちなんで命名し、スペル違いの「ERA」が持つ“時代”という意味もあわせ持つとした。7月、劇団ひとり主演のTBS系ドラマ『永沢君』において、頭の中で思い描いた物語を原作者のさくらももこに伝えて文字化してもらうという形で脚本作りに参加[注 2][31]。10月7日に第2子となる女児を出産したことを自身の公式サイトで発表[32]。

2014年6月23日、デビュー10周年を迎えるこの日から翌2015年6月まで「木村カエラ 10years anniversary」と題してさまざまな記念企画を開催[33]。9月6日、同じく10周年を迎えるファッションイベント「第19回東京ガールズコレクション2014」（TGC）とコラボレーションし、ライブメインアクトを務める[34]。10月25・26日、神奈川・横浜アリーナにてデビュー10周年を記念したアニバーサリーライブ「KAELA presents GO!GO! KAELAND 2014?10years anniversary」を開催。