NHK放送劇団では五期生で、同期には友部光子、里見京子、横山道代、幸田弘子ら。

放送劇団入社時の面接では「親に言ったらこんなみっともない仕事を（するのはやめろと言われた）…」、「こういう世界は騙す人が多いから気をつけろという話を聞く」などのマイナスな発言を繰り返したのにもかかわらず、採用に至った[1]。

女優の志望動機は前述の通り「母親になった時に子供に絵本を読み聞かせられるようになりたかったから」だったが、1952年に翌年のNHKのテレビ放送に備え招かれていたアメリカ合衆国NBCプロデューサーのテッド・アレグレッティーの講演で「アメリカのテレビ局はスポンサーの影響でニュース・教養番組はテレビ放送全体の15%だが、一公共放送が建前のNHKではニュース・教養番組が主になると聞いているので、世界の風俗・習慣・戦争を見る事が出来るので、永久的な平和がテレビによってもたらせる」と聞き、プロとしての女優意識に目覚める[19]。

こうしてテレビ放送の開始を翌月に控えた1953年1月にNHK放送劇団の一員となり、テレビ女優の第一号としてデビューした。

当初はラジオやテレビの通行人として出演しつつ、テレビの現場を学ぶ[18]。

1954年、NHKラジオ第1で放送され、自身初の主演となったラジオドラマ『ヤン坊ニン坊トン坊』（1954年 - 1957年）が開始した。

同番組は日本のラジオドラマ史上初めて大人の女性が子供の声を演じた番組である。「大人でも子どもの声を出せるはずだ」との劇作家・飯沢匡の発案により、NHK始まって以来のオーディションを経て、三男・トン坊役を演じて一躍有名になる。

以降も人形劇『チロリン村とくるみの木』（1956年 - 1964年）、『ブーフーウー』（1960年 - 1967年）などに出演し、さまざまなキャラクターの声を演じる[18]。

子ども番組に加えてテレビドラマ『若い季節』（1961年 - 1964年）、『夢であいましょう』（1961年 - 1966年）などの人気番組にも出演し、週6、7本のレギュラー番組を抱えるなど多忙を極めるようになる[18]。

20代後半にはテレビとラジオのレギュラーが週に10本を数え、平均睡眠時間3時間という日が続いて、過労からすべてのレギュラー番組を降板し1か月の入院を余儀なくされる[20]。

NHK専属女優時代の初めの頃、ディレクターは「私をずっと降ろしたがっていた」と述べている[21]。

1958年の『第9回NHK紅白歌合戦』では、自身初となる『NHK紅白歌合戦』の紅組司会を務めた。それから22年の月日が経った1980年の『第31回NHK紅白歌合戦』で紅組司会に復帰し、1983年の『第34回NHK紅白歌合戦』まで4年連続、通算5回紅組司会を務めた。4年連続、通算5回の紅組司会という記録は、いずれも佐良直美に並び史上最多である。その32年後である2015年の『第66回NHK紅白歌合戦』では、総合司会として再度紅白の司会に復帰した。通算6度はNHKアナウンサー以外の女性の最多記録となっている。

1961年、第1回（昭和36年度）日本放送作家協会賞・女性演技者賞を受賞した[22]。

舞台出身の俳優との間に演技力の差を感じていたことから、慕っていた杉村春子に文学座への入団を相談し[14][20][23]、1961年に開設された文学座附属演劇研究所に3期生[24] として入所。NHKを退社し演技を学ぶ[14]。江守徹、高橋悦史らが同期[14]。

文学座の分裂後、1970年に出演した東宝のミュージカル『スカーレット』（帝国劇場）でブロードウェイのスタッフとともに仕事をして親しくなり、作曲家のハロルド・ロームの夫人・フローレンスから「面倒見てあげるから、ぜひニューヨークにいらっしゃい!」と招きを受けて、もっと勉強したいとニューヨークへの留学を決意する[20][25]。

1971年9月から1年間ニューヨークへ留学し、セントラル・パーク西隣のワンルームに生活する。ローム夫妻がニューヨークでの身元引受人となり、フローレンス夫人を「ニューヨークのお母さん」と呼んだ。『スカーレット』演出家のジョー・レイトンの夫人で元女優のイブリン・ラッセルの紹介により、スタニスラフスキー・システムに基づいてプロの俳優に指導する「メアリーターサイ演劇学校」にて演技を学び、開校以来初の東洋人の生徒となる。また、同じ建物の中にある「ルイジ・ダンススクール」でモダン・ダンスを学ぶ。アフターファイブには振り袖を着てカクテルやディナーなど社交の場に足を運び、「着物と洋服、どちらにも似合う髪型を開発したい」との思いから、ニューヨークで知り合って友人となったアメリカで活躍中のヘアメイクアーティストの須賀勇介のアイディアを交えつつ、後にトレードマークとなる「タマネギヘア」を考案する[20][25][26][27]。「あなたのように1人でぷらぷらしている人の目で世の中を見て、そのままの感性で好きに話してほしい」とのオファーを受けて日本初の女性司会者によるワイドショーで『徹子の部屋』の前身番組となる『13時ショー』（NETテレビ）の司会就任が決まり、放送開始前月の1972年9月に帰国する[25][26]。

1976年のテレビ朝日の『徹子の部屋』の放送開始を機に、「役を演じながら司会もやると混乱を招く」「悪女役をしていたら、悪い人が話を聞いているみたいに思われる」との考えから、本人役などで出演した一部作品を除いてテレビでの女優活動を控えるようになる[28]。

一方で、舞台女優として1989年より「海外コメディ・シリーズ」の上演を開始。劇作家・演出家の飯沢匡の発案により黒柳の主演で毎年秋に海外の喜劇を紹介する企画で、1994年に飯沢が死去した後は主に高橋昌也が演出を手掛けて、2016年秋で30回目を数えた[28]。1997年には『幸せの背くらべ（英語版）』および『マスタークラス（英語版）』での演技により第38回毎日芸術賞ならびに第4回読売演劇大賞の大賞・最優秀女優賞を受賞、2013年には「永年の翻訳劇に対する情熱と功績に対して」の受賞理由により第38回菊田一夫演劇賞特別賞を受賞している[29]。2017年秋の『想い出のカルテット?もう一度唄わせて?』では、同年8月末の右大腿骨骨折と手術を経て、設定を変更して車椅子で舞台を務めた[30][31]。ライフワークとして30年間で32作品を上演し、2018年秋に上演の『ライオンのあとで』で幕を下ろした[32][33][34]。継続を希望するファンの声を受けて、2019年10月には朗読劇『ラヴ・レターズ』の舞台に上る[35][36]。
マルチタレントとして2012年7月5日、外務省にて外務大臣玄葉光一郎（左）を表敬訪問2013年9月12日、外務省にて外務大臣岸田文雄（左）を表敬訪問