1956年，曾参演东京广播电台的节目《赤铜铃之助》。同年参加儿童合唱团。14岁时参加了电视剧《来无影去无踪的侦探》的演出。1960年，在日活公司开始演员生涯，此后与浜田光夫合作演出多部青春片，成为60年代日本影坛上的青春偶像。1962年，读高中时主演浦山桐郎导演的《化铁炉林立的街》，成功地扮演了一个清新纯洁、品学兼优的少女，年仅17岁便获得当年“蓝绶带奖”的最佳女主角奖，从此声名日盛，被影迷们亲切地称呼为 “小百合花”；在高中的几年之中，共拍摄了20部青春片，同时不误学业，故有“优秀学生”之称；这些影片包括《黑暗中的口哨声》、《我不死》、《化铁炉林立的街》、《花、少女和白色的路》、《他与我》、《割草姑娘》、《你好，二十岁》、《伊豆的舞女》、《归乡 》等。1961年被授予电影制作协会新演员奖，1962年又获蓝绶带奖的最佳女主角奖和日本广播协会的最佳新人奖 。1965年，考入早稻田大学第二文学部史学科，在就学之时继续从事电影拍摄。1969年大学毕业。70年代，开始扮演有深度的妇女形象，相继在《皇帝不在八月》、《冲动杀人，儿子啊》、《海峡》、《天国车站》等优秀影片中扮演重要角色。1973年，与比自己大十五岁的电影制片人冈田太郎结为夫妇；1975年，与仲代达矢共同主演浦山桐郎导演的《青春之门》，在片中出色地扮演了一个烧炭工的妻子。1982年，与高仓健等一起主演了森谷司郎导演的《海峡》，在片中饰演了一个美丽纯情的女性形象；1984年，主演《天国车站》和《阿凡》，以其炉火纯青般的技艺囊括了当年日本各项电影大奖中的最佳女主角奖；1985年，又获新设立的电影大奖——田中绢代奖。1987年，日本推出纪念著名电影演员田中绢代的传记影片《电影女演员》，吉永小百合扮演女主人公，这是她自开始银幕生涯以来的第99部作品。她曾被《电影旬报》评为最受欢迎的十大女明星之一。在从艺的40多年里，吉永小百合出演了超过百部影片。2001年，她与日本男星织田裕二一同获得了由东京电影记者会选出的“第四十三回蓝丝带奖”最佳男主角与最佳女主角头衔。 2014年，日本杂志《周刊大众》举办以外型选出心目中“最美女星”活动中，吉永小百合以69岁高龄，击败众辣妹，荣登冠军。 吉永小百合是日活公司（正式名称为日本活动写真株式会社）的当家女演员，与滨田光夫于1960年代在日本电影界掀起一阵狂澜。对于当时一直因循守旧走男性向动作电影路线的日活公司来说，吉永和浜田这对金牌组合以他们的纯爱青春凤格的电影，使得他们又获得了大批新粉丝的认可和支持。特别是影片《化铁炉之街》以及由畅销书改编的《凝视爱与死亡》等都是人们的话题之作。随着溴素纸（摄影中指涂有溴化银的印相感光纸）在1964年（昭和39年）、1968年（昭和43年）、1969年（昭和44年）这几年间的热卖和销售额实绩使得吉永小百合闪耀在女性部门的第一位。与她一同走过青春时代的同辈们有许多人都是她的影迷，人们共称这些影迷为“サユリスト（Sayurist）”。其中也不乏像 TAMORI，野坂昭和这样的有名人。吉永小百合主演的电影原作者川端康成、石坂洋次郎两位大作家也非常欣赏她，川端康成曾为了见她一面而突然到访《伊豆的舞女》位于深山中的外景拍摄现场，而石坂洋次郎则是以吉永来饰演为设想前提特意撰写了作品。 在1970年代她也有一段低迷时期，恰巧这段时期又正处日本电影界的衰退期，加之吉永小百合的结婚对象是大她15岁的商业界人士，两人的职业面貌在常人眼里极不相符，于是遭到父母反对后吉永小百合与他们的关系一度僵持。此事被报道后，越发使得吉永小百合的演艺活动骤减。当时的日本影片界涌现出许多敢于塑造无畏裸露的现代女性形象的年轻女演员，以至于吉永小百合从1960年代开始一成不变地演绎“清纯姑娘”的套路早已让人觉得陈旧不新了。在 1975年（昭和50年），吉永小百合终于首次脱离“清纯姑娘”的路线在《青春的门》中扮演为人妻的角色。虽然除出道时期以外，吉永小百合就从没出演过任何电视剧，但在电影演出开始减少的时期里，她便在NHK大河剧中担任角色。在1981年（昭和56年）的日剧《梦千代日记》里，吉永小百合将一位成熟女性的情感经历表现得丰富饱满，一跃成为人们的话题之作。从那之后，她同时受到评论家们对她演技刁难和具有大牌女演员魄力的褒贬不一的评价。“サユリスト”的复权也是在同时期，此后即使处于日本电影低迷期吉永小百合也会定期出演影片。吉永小百合在以广岛为舞台的《爱与死的纪录》中的出演，以及在《梦千代日记》中扮演忍受原子弹辐射症病痛的主人公后，她便从1986年（昭和61年）开始以志愿者的身份参加原子弹诗歌朗读会。如今她不仅继续着她的演艺活动，更将反战争反核武运动作为毕生的另一重要事业。吉永小百合的电视演出仅仅活跃在广告中，除此之外仍以电影为主。最新出演的电影作品既预定2008年公开上映的《母亲啊》已是她第112部作品。 2009年，入选日本百年来最漂亮的十名女优。日本《文艺春秋》季刊于2009年邀请作者和读者投票选出了日本最漂亮和最有魅力的十个女演员。共有1043人参与了这次投票，上榜的十名女演员，依次为:原节子、吉永小百合、高峰秀子、田中绢代、岩下志麻、京町子、山田五十铃、若尾文子、岸惠子、藤纯子。