2002年，參與NHK電視臺的晨間劇《櫻》的拍攝。1月18日，參與拍攝的電影《黃泉路》在日本上映 ?。4月27日，參與參攝的電影《殘雪》在日本上映，在劇中飾演Natsuho Mizuta。

　　2003年，初次主演電影《機器人競賽》，并憑借該片獲得第27屆日本奧斯卡優秀新人獎。在同年上映的哥斯拉系列第27部作品《哥斯拉 東京SOS》以及翌年的系列最終作《哥斯拉FINAL WARS》中，和與其同屆的“東寶灰姑娘”評委特別獎得主大冢千尋共同出演小美人的角色 ?。

　　2004年上映的純愛電影《在世界的中心呼喚愛》中，長澤雅美飾演了清純堅強的高中女生亞紀。為了飾演因治療白血病而脫發癥的亞紀，長澤親自剃掉長發以光頭形象示人，造成了轟動一時的話題。而長澤也因片中的精彩演出，幾乎橫掃日本電影學院賞和藍絲帶大獎在內的2004-2005年各大電影節獎項的最佳女配角獎 ?。

　　2005年1月13日，主演的電視劇《溫柔時刻》在日本首播。7月8日，與阿部寬、長谷川京子、山下智久主演的電視劇《龍櫻》在日本首映。9月10日，主演由犬童一心導演的電影《棒球英豪》在日本上映。12月31日，以評委身份參加第56屆NHK紅白歌合戰 ?。

　　2006年1月8日，參演的NHK大河劇《功名十字路口》在日本首播。8月26日，主演電影《我愛芳鄰》在日本首映，飾演劇中女主角二之宮亞美。9月30日，與妻夫木聰主演的電影《淚光閃閃》在日本上映，長澤雅美憑借該片入圍日本奧斯卡最佳女主角。10月13日，主演根據1981年電影大作《水手服與機關槍》改編的同名電視劇，并以劇中角色“星泉”的名義發表同名主題歌 ?。

　　2007年1月3日，主演電視迷你劇集《明智光秀 不為神眷顧的男人》在日本首播。4月16日，與山下智久主演的“月9”電視劇《求婚大作戰》在日本首播 ?。6月2日，主演電影《等待只為與你相遇》在日本首映。同年遠赴印度為名古屋電視臺拍攝45周年臺慶電視劇《在恒河游蝶泳》，于同年九月在日本上映 ?。10月14日，主演電視劇《二十歲戀人》日本首播。

　　2008年3月25日，主演《求婚大作戰SP》日本上映。4月10日，與上野樹里、瑛太主演的電視劇《最后的朋友》在日本首播，長澤雅美在劇中飾演藍田美知留 ?。5月10日，主演翻拍自黑澤明導演原作的電影《暗堡里的三惡人》 ?。8月10日，參與動畫短片《回憶積木小屋》的配音。10月31日，主演電視迷你劇集《藤子?F?不二雄的Parallel Space》日本首播，該劇改篇自漫畫家藤子?F?不二雄先生（1996年過世，享年62歲）的SF空想漫畫《異色短編集》 ?。

　　2009年1月4日，與妻夫木聰主演NHK大河劇《天地人》，在劇中飾演初音 ?。1月12日，主演電影《原來你已不在身邊》在日本上映，該劇根據作家城山三郎遺作改編。4月19日，主演的電視劇《我的妹妹》在日本上映 ?。同年作為“日本放送”電臺55周年臺慶形象大使，連續6月登上電臺刊物《I AM 1242》封面。6月27日，主演根據手機小說改編的同名電影《群青》上映 ?。11月21日，主演的電影《彎曲吧！湯匙》在日本上映 ?。

　　2010年3月1日，參與拍攝的TBS特別劇《畢業之歌》（主演第四話）日本首映。同年剪短30厘米長發開始拍攝電影《岳》，以雪山為背景進行了艱苦的3個月拍攝。7月8日，出演天海佑希主演的夏季木十檔連續劇《GOLD》日本首播。同年參演富士臺臺慶劇《我家的歷史》，在其中飾演一之賴ゆかり，八女義男的戀人 ?。

　　2011年5月7日，主演的電影《岳》在日本上映。6月11日，與阿部寬主演的電影《奇跡》在日本上映 ?。6月30日，出席視覺雜志《PLUP SERIES》在東京都內舉行創刊發表會 ?。7月，與吉卜力合作的作品《來自虞美人之坡》上映，為女主角配音 ?。8月，首次挑戰舞臺劇《CRAZY HONEY》。9月，主演的電影《桃花期》在日本上映，片中長澤一改清純路線，剪短頭發，以直率性感的新形象示人，獲得了獲得第54回藍絲帶映畫賞的助演女優賞，并再次入圍第35屆日本奧斯卡最佳女主角 ?。

　　2012年2月，主演WOWOW電視臺《分身》開播 ?。4月，主演朝日電視臺深夜劇《都市傳說之女》，首次挑戰警察角色，并憑借此角色獲得當季日劇學院賞最佳女主角 ?。10月，主演CX秋季土十一檔深夜劇《高校入試》在日本首播，湊佳苗腳本 ?。

　　2013年，參演富士臺夏季月九劇《SUMMER NUDE》。10月起，主演的電視劇《都市傳說之女》第二部每周五晚11點在朝日電視臺播出 ?。10月26日，與岡田將生主演的純愛電影《純凈脆弱的心》在日本上映 ?。同年參與拍攝吳宇森導演的中日韓三國合拍電影《太平輪》 ?。

　　2014年1月10日，主演的電視劇《流氓蛋糕店》在日本首播 ?。5月，主演的電影《WOOD JOB!哪啊哪啊神去村》日本上映 ?。

　　2015年6月13日，與綾瀨遙、夏帆、廣瀨絲絲聯袂主演的文藝電影《海街日記》在日本上映，在劇中飾演二姐佳乃 ?，并憑借該片入圍了第39屆日本電影學院獎最佳女配角提名 ?。

　　2016年，長澤雅美加盟了堺雅人主演的大河劇《真田丸》，飾演劇中男主角的妻子 ?。同年，與大泉洋、有村架純共同出演了漫改電影《請叫我英雄》 ?。

　　2000年1月9日，只有12歲的長澤雅美從35153位參賽者中脫穎而出，獲得了東寶公司主辦的第五回“東寶灰姑娘”選拔賽最優秀獎，成為史上最年輕的最高獎獲得者。之后，長澤順利進入演藝圈，在同年公開的電影《走火入魔》中初次亮相，并成為了青少年雜志《pichilemon》的專屬模特 ?。