栗山千明从5岁时就开始担任童装模特，曾一度立志成为时装模特，但是由于小学6年级左右，身高（约160cm）就停止了增长，不得不放弃了这一理想。11岁开始学习舞蹈。
1999年，14岁的栗山千明凭借电影《死国》出道，因饰演一个悲惨的幽灵而受到关注。
2000年，搭档北野武、藤原龙也、前田亚季等演员，主演了深作欣二执导的惊悚电影《大逃杀》，饰演运动部猛将“千草贵子”。
2003年，参演了由昆汀·塔伦蒂诺执导，乌玛·瑟曼、刘玉玲、千叶真一等人主演的动作片《杀死比尔》，栗山千明在片中饰演制服美少女杀手。
2004年，与成宫宽贵主演了根据日本漫画家矢泽爱的同名漫画改编而成的爱情电影《下弦之月》，饰演拥有“下弦之月”一般朦胧美的神秘美人“望月美月”，该片是栗山千明首次担当主演；9月，签约北京星泽国际影视公司，成为第一个落户北京的日本明星。
2005年，栗山千明参演的古装武侠片《少女杀手阿墨2》上映；10月，与小田切让合作，主演的剧情片《天堂失格》上映，栗山千明饰演问题少女“崎藤村”。
2008年，栗山千明首次挑战舞台剧，出演由井上厦编写剧本、蜷川幸雄执导的作品《道元的冒险》，扮演一个禅僧。
2009年，与洼田正孝主演的时代剧《浪花的华彩～绪方洪庵备忘录》（又名《浪花之花》）首播，栗山千明在剧中饰演女扮男装的美女左近和包子铺老板娘两个角色。这也是栗山千明第一次出演历史剧。
2010年，以CHiAKi KURiYAMA（栗山千明的罗马读音）的名字实现歌手出道，出道曲是《机动战士高达UC》的主题曲《流星之泪》；7月，与小田切让继2005年电影《天堂失格》后再度合作，主演了三木聪执导的夏季日剧《热海搜查官》，栗山千明饰演小田切的搭档北岛纱英；11月17日，发行第二张单曲《可能性女孩》。
2011年，发行单曲《美味的季节/决定性的三分钟》；3月16日，发行首张专辑《CIRCUS》。
2012年，参演了由堤幸彦执导，户田惠梨香、加濑亮主演的奇幻犯罪电影《SPEC：天》，栗山千明在片中饰演神秘归国女子“青池里子”。
2013年，搭档冈田准一、荣仓奈奈、福士苍汰、田中圭，主演了根据有川浩的同名小说改编的科幻电影《图书馆战争》，饰演武藏野第一图书馆业务部成员“柴崎麻子”。
2015年，与桐谷健太、三浦贵大、丰原功补等联袂出演的剧情片《播种的旅人：传说的故乡》上映，栗山千明继《GS乐园》之后，时隔6年再度在电影中担当主演，并首次扮演政府官员角色；10月10日，参演的科幻电影《图书馆战争2：最后的任务》上映。
2016年，搭档东山纪之主演的时代剧《信长燃烧》首播；4月29日，领衔主演的爱情剧《不愉快的果实》播出，栗山千明饰演在律师事务所当秘书的已婚主妇“水越麻也子”；8月6日，与生田斗真、冈田将生、大森南朋共同主演的悬疑科幻片《秘密》上映，栗山千明在片中饰演法医第一研究室的监察医生“三好雪子”。
2017年，出演的特别剧《但是想结婚！BL漫画家的别扭婚活记》播出，在剧中饰演BL漫画家藤田晴子。4月29日，与木村拓哉领衔主演的动作片《无限之住人》在日本上映。
2018年，出演由龟梨和也主演的电视剧《FINAL CUT》将播出。出演真人电视剧《银河铁道999 Galaxy Live Drama》。接拍10月6日开播的东京台日剧《沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～》，饰演0.2秒就能看破谎言的刑警。
2019年，出演的电视剧《沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～ 第二季》播出。
2020年，宣布和spacecraft事务所契约期满退社，成立独立个人工作室；10月9日，出演的电视剧《24小时日本》播出。
24小时日本 2020-10-9 饰演水石伊月 导演铃木浩介 主演唐泽寿明、仲间由纪惠
沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～ 第二季 2019-4-11 饰演楯冈绘麻
沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～2018-10-06 饰演楯冈绘麻
近似婚外恋爱 2018-6-22 饰演桜井美佐代 导演新城毅彦 主演栗山千明、安达祐实
银河铁道999 Galaxy Live Drama2018-06-18 饰演梅蒂尔 主演前田旺志郎
FINAL CUT2018 饰演小河原雪子 导演三宅喜重 主演龟梨和也
但是想结婚！BL漫画家的别扭婚活记 2017-4-4 饰演藤田晴子 导演千村利光 主演要润
COPY FACE 消失的我2016-11-18 饰演广泽和花/朝仓芙有子 导演佐佐木善春 主演前田亚季
信长燃烧2016-01-02 饰演劝修寺晴子 导演重光亨彦 主演东山纪之
不愉快的果实2016-4-29 饰演水越麻也子 导演树下直美 主演市原隼人
HEAT2015-07-9 饰演安住咲良 导演小林义则 主演AKIRA、佐藤隆太
献给阿尔吉侬的花束2015-4-10 饰演望月遥香 导演吉田健 主演山下智久
最好的选择TAXI2014-10-14 饰演柴山美空 导演笕昌也、星野和成 主演竹野内丰
白色荣光4：螺钿迷宫2014-1-7 饰演樱宫すみれ 导演今井和久 主演伊藤淳史
爱丽丝之棘2014-4-11 饰演星野美羽 导演冢原亚由子 主演上野树里
ATARU2012-4-15 饰演蛯名舞子 导演木村ひさ、吉田健、韩哲 主演中居正广
减肥反弹2011-4-27 饰演三村瞳 导演南云圣一、石尾纯、日暮谦 主演相武纱季
恋爱的日语2011 导演小林和宏
康乃馨2011-10-3 饰演吉田奈津（少女时代） 导演田中健二 主演尾野真千子
吉娃娃 2019-1-18 导演二宫健 主演门胁麦
无限之住人2017-04-29 饰演百琳 导演三池崇史 主演木村拓哉
秘密2016 饰演三好雪子 导演大友启史 主演生田斗真、冈田将生、大森南朋
图书馆战争：最后的任务2015-10-10 饰演柴崎麻子 导演佐藤信介 主演冈田准一、荣仓奈奈
白色荣光最终篇：地狱犬的肖像2014-3-29 饰演樱宫 导演星野和成 主演伊藤淳史
从纽约来的挑战信2013 饰演蛯名舞子 主演中居正广
图书馆战争2013 饰演柴崎麻子 导演佐藤信介 主演冈田准一
SPEC：天2012-4-7 饰演青池里子 导演堤幸彦 主演户田惠梨香
龙腾世纪2012 饰演卡桑德拉 导演曾利文彦 主演谷原章介
SPEC～翔2012 饰演青池里子 导演堤幸彦 主演户田惠梨香
电影奖项
2004 第13届MTV电影大奖最佳打斗场面 《杀死比尔》 （获奖）
2004 第30届土星奖电影未来面孔奖-女性面孔 《杀死比尔》 （提名）
从《大逃杀》里奔跑的女学生到《杀死比尔》里的制服美少女杀手，栗山千明将学生服穿得令人心悸。（电影网评）
在《杀死比尔》中，栗山千明饰演日本黑社会大姊头手下头号制服美少女杀手，穿着日本AV女优最热门的水手制服，手拿炼球血滴子在片中挥舞自若，以青春狂野的姿态砍杀乌玛·瑟曼，清纯甜美又狠尽十足，相对于电影里大批顶尖杀手的表现，年纪虽小却毫不逊色。栗山千明（南方网评）
