Debutta nel 1999 nel film Ikitai diretto dal regista Kaneto Shindo. Nel 2004 ha un piccolo ruolo in Cha no aji (The Taste of Tea) di Katsuhito Ishii, vincitore di diversi premi in numerosi festival.
Nel 2006 viene scelta dal regista Alejandro González Iñárritu per il ruolo di una ragazza adolescente sordomuta nel film Babel, ruolo che la porta alla ribalta del grande pubblico e a molte nomination, tra cui quella all'Oscar come miglior attrice non protagonista. Molte nomination si trasformano in premi, come il National Board of Review Award 2006 per la Miglior Performance Rivelazione Femminile (insieme a Jennifer Hudson), il Gotham Award sempre nel 2006 come Miglior Attore o Attrice Emergente e il Chicago Film Critics Association Awards come Migliore Attrice non Protagonista.
In seguito sarà protagonista di The Brothers Bloom, Map of the Sounds of Tokyo di Isabel Coixet, Norwegian Wood di Tran Anh Hung, e nel 2013 Pacific Rim di Guillermo Del Toro.
Oltre ad essere la più giovane attrice giapponese ad aver ricevuto una nomination agli Oscar, a 26 anni diventa la prima ragazza asiatica ad aver ottenuto il ruolo di testimonial per Chanel.