2003年，在《国光之政》中饰演坂上晋作出道。

2004年，主演是枝裕和执导的剧情片《无人知晓》，饰演被父母抛弃的四个孩子中的长子明，获得第57届戛纳国际电影节主竞赛单元最佳男演员奖，成为戛纳史上最年少的影帝，也是首位获得这项荣誉的日本人。该片被日本电影旬报评为年度最佳作品，柳乐优弥也囊括了国内电影界的各种新人演员奖，在《时代》杂志亚洲版的“2004 Asia’s Heroes”评选中榜上有名。

2005年，主演改编于真实事件的剧情片《星星少年》，饰演少年驯象师小川哲梦。

2006年，主演改编自山田咏美同名小说的青春爱情片《蜜糖与调味：风味绝佳》，饰演在加油站工作的山下志郎。

2007年，为动画电影《天才嘉年华》中渡边信一郎执导的「BABY BLUE」单元配音。

2008年，主演堤幸彦执导的喜剧片《绷带俱乐部》，饰演建立“绷带俱乐部”，为有伤痛的人进行疗伤的少年迪诺（井出埜辰耶）。出版了小说《不停止的雨》。

2009年，主演清水崇执导的恐怖片《战栗迷宫3D》。

2010年，主演根据山田茜同名小说改编的爱情片《一切化作海》，饰演生长在不幸家庭中的17岁少年大高光治。主演推理剧《TOKYO23 生存城市》，饰演梦想成为格斗家的青年新井升。

2011年，主演手机剧《交错的9个杀意》，饰演登山队员崎谷真人。在推理剧《LADY~最后的犯罪心理分析官~》中饰演IQ140的高智商死囚巽聪史。

2012年，主演根据村上春树原著改编、由蜷川幸雄执导的舞台剧《海边的卡夫卡》，在2012年5月3日到5月20日期间演出。

2013年，主演剧情片《能不能原谅你，我想想看》，饰演从事回收废纸业的18岁青年野口隆太郎。在李相日执导的动作片《不可饶恕》中饰演为了丰厚奖金投身战争的泽田五郎。在日向寺太郎执导的剧情片《长崎的天空下》中饰演暗恋女主角的广濑勇一。

2014年，主演福田雄一执导的深夜剧《青色火焰》，饰演原型为岛本和彦的漫画家焰燃。主演根据中村文则同名小说改编的推理电影《最后一命》，饰演年幼时期被卷入一场悲惨事件的明濑桂人。在丰田利晃执导的漫改动作片《热血高校3》中饰演铃兰之王强罗彻。在改编自真锅昌平同名漫画的剧情片《暗金丑岛君2》中饰演苦力工人虾沼。在穿越历史剧《信长协奏曲》中饰演织田信长的弟弟织田信行。

2015年，主演根据杉浦日向子同名漫画改编的动作片《合葬》，饰演加入德川庆喜护卫队的秋津极，该片入围第39届蒙特利尔国际电影节主竞赛单元。在医疗剧《纯白》中饰演外科医生仲野孝太郎。在NHK晨间剧《希》中饰演中国料理店老板的儿子池畑大辅。参演漫改电影《变态假面：变态危机》。

2016年，主演真利子哲也执导的剧情片《错乱的一代》，饰演终日寻衅闹事的少年芦原泰良，获得第90届日本电影旬报奖最佳男主角奖和第38届横滨电影节最佳男主角奖，该片也入选旬报年度十佳电影第四名。在青春剧《宽松世代又如何》中饰演11连败的大学复读生道上万里部，获得第89届日剧学院赏最佳男配角奖。参演福田雄一执导的喜剧电影《任侠野郎》和改编自同名小说的剧情电影《粉与灰》。客串深夜剧《勇者义彦与被引导的七人》，饰演桃太郎的同伴猴子。

2017年，在伦理剧《妈妈，不当你的女儿可以吗？》中饰演建筑公司职员松岛太一。在爱情剧《弗兰肯斯坦之恋》中饰演与怪物结下深厚友谊的大学生稻庭圣哉。在NHK大河剧《女城主直虎》中饰演盗贼团伙头目龙云丸。在《银魂》真人版电影中饰演真选组副长土方十四郎。