1993年12月25日，出生于日本爱知县名古屋市。
2006年，参加了第11回全日本国民美少女大赛，获得模特部门奖和多媒体奖等两个奖项。11月，在《17岁》杂志中作为非专属模特出现在“美人眉的制作方法”的栏目里，从此开始了演艺生涯。
2007年2月，同样在《17岁》杂志中首次作为专属模特出现。
2008年，和佐藤亚里沙、桐谷美玲一起以“猫眼三姐妹”成为封面女郎，同年的2/15号也单独成为了封面女郎。
2009年，和冈田将生、夏帆、佐野和真等出演《粉红系男孩》又名《オトメン（乙男）》。
2010年7月，主演CX电视剧《GOLD》。
2011年，因在电视剧《你教会了我什么最重要》中的表演而获得广泛关注，并凭借该片荣获第68届日剧学院奖“最佳女配角奖”。同年4月，主演朝日电视台的电视剧《明日香高工进行曲》，这是她的初次主演作品。12月，成为Gucci日本区首位代言人；同月以单曲《恋爱心情》进入乐坛。同年，出任《明日香高工进行曲》的女主角；主演三池崇史的电影《爱与诚201X》。
2012年，首次出演大河剧《平清盛》以及主演朝日电视台的《W的悲剧》。5月，接拍富士台七月开播的日剧《无法呼吸的夏天》。同年8月24日，结束了5年9个月担任杂志Seventeen专属模特儿的工作。
2013年5月2日，在第22届日本电影影评人大奖颁奖典礼中，武井咲主演的电影《今天开始恋爱》获得评审认可，荣获最佳新人奖的奖项。
2014年，搭档佐藤健主演电影《浪客剑心》续集2部曲《京都大火篇》与《传说的最终篇》。3月，与演员大仓忠义联合主演由日本少女漫画《幸运情人草》拍摄而成的真人电影。10月21日，和绫野刚双主演的富士台连续剧《全部成为F》开播 。同年，主演朝日电视台日剧《零之真实～监察医・松本真央～》。
2015年，主演7月起在朝日电视台木九档期播放的新作《年龄歧视》。
2016年1月，参演富士台水十档医疗剧《Fragile》。4月29日参演的电影《火星异种》上映。7月，主演的TBS火十档剧集《毫不保留的爱》播出。9月17日，主演秋档播放的SP特别剧《濑户内少年棒球团》。9月24日，主演的NHK时代剧《忠臣藏之恋~第四十八个忠臣~》开播。
2017年，出演推理剧《贵族侦探》，主演电视连续剧《黑色皮革手册》和《现在开始我要胁迫你》。
2020年，时隔三年再次拍摄朝日电视台SP电视剧《黑色皮革手册——拐带行》。
2021年4月23日，参演的电影《浪客剑心最终章：人诛篇》上映。
《现在开始我要胁迫你》、《黑色皮革手册》、《无法呼吸的夏天》、《你教会了我什么最重要》、《W的悲剧》等。
《火星异种》、《幸运情人草》、《今天开始恋爱吧》、《浪客剑心最终章：人诛篇》、《浪客剑心：传说的完结篇》等。
《恋爱心情》。
2007年，担任中日文化交流大使。
2013年，出任日本红十字会献血宣传大使。
2006年，获全日本国民的美少女大赛第11回模特部门赏、多媒体部门赏。
2011年，获日剧学院赏第68回最佳女配角-《你教会了我什么最重要》。
2011年，获“VOGUE JAPAN Women of the Year 2011”受赏。
2012年，获山路ふみ子映画赏第24回新人女优赏-《爱与诚》、浪客剑心》。
2012年，获日刊体育电影大奖第25回新人赏-《爱与诚》、《浪客剑心》。
2012年，获FECJ赏第54回年度名人。
2013年，获エランドール赏第38回新人赏。
2013年，获日本电影金像奖第36回新人赏-《爱与诚》、《浪客剑心》、《今天开始谈恋爱》。
2013年，获日本映画批评家大赏第22回新人赏。
武井咲作为奥斯卡事务所力捧的花旦，背靠得天独厚的优势资源。以获得学院赏最佳女配角的《你教会了我什么最重要》作为开端，武井咲接连主演了多部日剧，发展势头迅猛，江口洋介与渡部笃郎等优质大叔也甘当绿叶，为其保驾护航。《W的悲剧》复刻上世纪80年代女子偶像代表人物药师丸博子的经典作品，备受好评。2012年，武井咲在日本娱乐圈被誉为国民美少女，仅仅一年便全面攻占广告、日剧、电影多个领域（时光网评）。
