1988年6月11日新垣结衣出生于日本冲绳县那霸市。据她自己声称小时候的她是个很害羞的女孩。从小就对女子组合SPEED心生向往的她曾三次报名当地的艺人养成学校，结果却每次都落选了。中学时的新垣结衣参加了一个月的羽毛球俱乐部。就读于日出高中时新垣结衣在校内担当女子篮球部的经理。她作为家里三姊妹里面的老幺从小在大自然包围的优闲环境下长大。2001年新垣结衣的姐姐在少女杂志《nicola》上看到了关于征集中小学生模特的消息，于是推荐她参加征选。13岁的新垣结衣抱着试试看的心态参加了这次征选，结果获得了最优秀大奖，从此她就成为了《nicola》的专属模特。2005年新垣结衣开始转战影视圈：她在电视剧处女作《涩谷15》中饰演作为女主角的魔法少女“艾玛”。据她自己后来回忆说：“我完全没有上过表演课，第一次演电视剧就是女主角……当时还不懂得思考未来的事情，整个很自负自满“。《涩谷15》播出后的口碑反响很好，作为主演的新垣结衣以清新靓丽的形象收获了大量人气，一时间成为众多广告商的新宠儿。
2005年7月8日新垣结衣与阿部宽、山下智久、长泽雅美等共同出演的校园励志剧《龙樱》首播：在剧中新垣结衣饰演嫉妒心强但个性单纯的高中三年级女生香坂佳乃。2006年3月3日新垣结衣发行了个人首本写真集《ちゅら☆ちゅら》；3月11日由她初次担任配音的动画电影《军曹大电影》上映；7月8日由她与长濑智也、手越祐也、田中圣等联袂出演的校园剧《我的老大，我的英雄》播出；2007年3月22日新垣结衣推出了第二本写真集《まっしろ（纯白）》；9月8日新垣结衣的电影处女作《坏家伙》上映。尽管《坏家伙》是新垣结衣的电影处女作，但同一时期她还参与了另外两部电影的拍摄，其中的《恋爱格局》上映时间甚至还早于《坏家伙》，同时在《恋爱格局》中新垣结衣除担任女主角之外还演唱了主题曲《追忆（メモリーズ）》。不过相比之下真正令她更为观众熟知的还是得算这年11月3日上映的《恋空》——正是这部作品使她开始取得国际知名度，不少中国观众就是通过这部作品开始认识她的。这部作品的票房达到了39亿日元，位列日本票房年度榜单第六位。作为主演的新垣结衣通过这部作品获得了第31届日本电影学院奖及第50届日本电影蓝丝带奖最佳新人奖。
正当新垣结衣的电影事业日益走上正轨之时她于当年的12月5日发表了个人首张音乐专辑，开始以歌手身份出道。第一次出演电视剧就担当女主角的新垣结衣在以歌手身份出道之初就登上了日本武道馆举办的演唱会，这在日本是许多资深歌手梦寐以求的华丽舞台，而她一下子就完成别人耕耘许多年才能实现的愿望。她的确是一位多才多艺的全方位综合型艺人：她的事业横跨电影、电视剧、歌手、模特等多个领域，事实上她在美术、摄影、作词等方面也有较高造诣：早在她成名之前就出版过童书绘本，在她的音乐专辑中不乏由她自己参与封面设计和作词的作品。作为演员的新垣结衣一直尝试挑战各种不同的角色：《CODE BLUE 》中的实习医生、《全开女孩》中的新人律师、《Legal High》里面富有正义感的热血律师、《S最后的警官》扮演特殊部队的狙击手、《无法成为野兽的我们》中的职场女白领……从喜剧到动作片再到生活剧几乎各种类型的作品都会涉足。用她自己的话说”我希望尝试各种不同的角色，因为在经历各种工作之后发现自己并没有过人的特长，这样肯定无法长久走下去。我想要好好努力！靠自己的双脚前进、努力为自己负责。”
2009年新垣结衣凭借主演电视剧《微笑》获得了第61届日剧学院赏、第13届日刊体育日剧大奖最佳女配角奖。2013年她主演的律政喜剧《LEGAL HIGH 2》使其获得了第79届日剧学院赏最佳女配角奖。2015年她主演了漫改日剧《掟上今日子的备忘录》并凭借该剧获得了第2届日剧信心奖最佳女主角奖。2016年新垣结衣领衔主演了爱情喜剧《逃避虽可耻但有用》并凭借该剧获得了第6届日剧信心奖、第91届日剧学院赏最佳女主角奖。2017年她主演的运动喜剧爱情电影《恋爱回旋》使其获得了第60届日本电影蓝丝带奖最佳女主角奖。如果说这些奖项代表了业界对她的肯定，那么她在观众心目中的地位又如何呢？日本从2008年起推出由男性网友票选得出的“最想与她恋爱的女明星排行榜”。在这个排行榜中新垣结衣简直就是神一般的存在——自从“最想与她恋爱的女明星排行榜”推出以来已举行过12届票选，而新垣结衣居然入榜11次，这已是她第四次夺冠了，也是她继2018年后蝉联冠军。如果说这反映的是日本男性的审美观，那么在日本还有一份“日本女性最想拥有的颜排行榜”，而去年这份榜单的夺冠者也是新垣结衣。