1996年，7岁（小学一年级）的时候，加入了由母亲推荐的剧团Central Group，开始了艺能活动。
2005年大岛优子加入了由THE ALFEE高见泽俊彦担任制作人的“Doll's Vox”团体组合。
2006年大岛优子参加AKB48第二期成员甄选，合格后成为Team K的成员。
2007年1月，大岛优子为动漫《ICE(动画)》第一次进行配音挑战。同年7月与AKB48成员前田敦子、小野惠令奈一起移籍到太田制作。12月，她以AKB48的身份首次在NHK红白歌合战登场演出。
2008年6月30日大岛优子出演日剧《弁护士 一之濑凛子》。
2009年3月21日，大岛优子首度主演电影《半身死灵》，饰演大桥可奈，4月11日，大岛优子在“AKB48 TeamK 5th Stage“引体后空翻”公演第一天发表了要接受喉咙手术的声明，同月13日手术结束，同月20日出院。7月8日，AKB48第一届总选举中获得第2名。同年9月15日，在Ameba BLOG开设个人博客“ゆうらり ゆうこ”，即是其官方博客。
2010年1月至3月，大岛优子出演日剧《马路须加学园》，在剧中饰演优子，6月9日，AKB48第二届总选举中获得第1名。10月至12月演出日剧《灵能力者小田雾响子的谎言》，11月10日发行写真DVD《君は、仆のもの》。
2011年1月21日“AKB48 BEST100 2011”的第二天。大岛优子发表了新Unit“Not yet”结成的消息。1月23日“AKB48 BEST100 2011”的最终日，共384首歌中被选出、排名第一位的歌曲，是大岛优子首次担任CENTER的曲目《ヘビーローテーション》。1月28日，大岛优子获得了第5回婚纱珠宝首饰公主奖。6月9日，在AKB48第三届总选举中获得第二名。10月至12日，出演CX月九剧《我无法恋爱的理由》，12月8日“2011年艺人CM启用社数排行榜”的女性部门中大岛优子排第一，共有19家公司启用。
2012年1月11日，大岛优子获得“第23回Jewelry Best Dresser赏”中的女性部门奖（20代），1月22日“AKB48 BEST100 2012”的最后一天，总共421首歌中再度由大岛担任CENTER的曲目‘无限重播’(Heavy Rotation)连续两届取得第1位，2月8日大岛优子获得了“BLOG of the year 2011女性部门”奖，4月12日参演的富士电视台木十剧《青蛙公主》首播，6月6日在AKB48第四届总选举获得第1名，第二次夺冠。7月12日于美国纽约举行的日本电影节，大岛优子凭在电影《暗黑丑岛君》中饰演的“铃木未来”一角，夺得最佳新人奖。7月21日，大岛优子首次个人担任皮克斯作品主演配音电影『メリダとおそろしの森』（中文译名勇敢传说）公开。8月24日，大岛优子在东京巨蛋举办“AKB48in TOKYO DOME ～1830mの梦～”的第一天组阁中，被委任为Team K的队长职务。
2013年3月8日，大岛优子获得了第36回日本电影金像奖话题赏（演员部员）。6月8日AKB48第五届总选举中获得第二位。9月24日出演《神様のベレー帽・手冢治虫のブラックジャック创作秘话》，饰演小田町咲良，2013年10月13日出演TBS日九剧《安堂机器人》，饰演沫嶋七濑。10月20日，日本TBS电视台人物纪录节目《情热大陆》播出大岛优子特辑。11月参与日剧SPEC最新映画版《SPEC-结》上下篇上映。12月31日，大岛优子在第64回NHK红白歌合战中宣布将从AKB48毕业。
2014年2月20日以大岛优子为队长的TEAM K在东京秋叶原AKB48剧场举行了2014年首场公演。3月20日，举行TK最后一场的“最终钟声鸣响”例行公演。3月30日原本预定在当日于国立霞丘陆上竞技场举行毕业演唱会，因天候不佳取消，运营方其后宣布安排补演。同年5月，出演TBS纪录片《情热大陆》800回纪念特别企画“我们生于1988”。同年5月5日大岛优子在大阪举办了《大岛优子感谢祭》迷你LIVE，现场演唱了《Heavy Rotation》等5首歌曲。同年6月8日，大岛优子在日本东京味之素球场举行毕业演唱会，6月9日，于AKB48剧场举行毕业公演正式从AKB48毕业。6月13日，作为特约嘉宾，在现场报道世界杯开幕式和巴西对克罗地亚的比赛。
2014年，从4月5日起与日本著名搞笑艺人有吉弘行搭档，主持人气综艺节目《Woman on the Planet 》。10月，从AKB毕业后首部参演的电影作品《纸之月》，获得了第27届东京国际电影节最佳观众奖，（15日～21日）周间观客人数第一。大岛优子由此片获得第39届报知电影奖最佳女配奖和横滨电影节最佳女配奖。
2015年1月6日，出演的富士火十档电视剧《钱的战争》开播。
2015年1月，凭借《纸之月》大岛优子获得第57回蓝丝带奖最佳女配奖提名，同时还获得第38回日本电影学院赏最佳女配提名和第24回东京体育报电影大奖最佳女配奖。1月15日，大岛优子主演电影《ROMANCE》消息解禁，于同年秋天全国上映。4月，初主演TBS木九档电视剧《脱黑~让你脱离黑道》开播。3月4日，大岛优子获「第1回カバーガール大赏」◆Weekly Magazine部门大赏。
2015年3月3日，出演笑福亭鹤瓶的即兴舞台《SUJINASHI》。2015年4月16日，大岛优子主演的《ヤメゴク～ヤクザやめて顶きます》开播。2015年5月，大岛优子为剧场版《面包超人 咪嘉与魔法灯》女主角咪嘉配音，该片于5月26、27日上映。2015年7月14日，初次出演舞台剧《No.9－不灭の旋律－》消息解禁，于2015年10月10日开演。2015年8月12日，大岛优子凭主演的《脱黑~让你脱离黑道》获第85回日剧学院赏最佳主演女优奖。2015年8月29日，大岛优子主演电影《ROMANCE》上映。2015年12月15日，其出演电影《真田十勇士》消息解禁，于2016年9月上映。
2016年3月6日，出演富士系静冈电视台制作感动地球特别节目《大岛优子的冰岛～极光飞舞的火山岛》播出；大岛优子初次出演nhk晨间剧《阿浅来了》，饰演为了女性地位提升而奋斗的平冢雷鸟，该角色将于3月26、29、30日登场。2016年4月26日，出演据东野圭吾小说改编的电影《疾风回旋曲》消息解禁，大岛优子饰演濑利千晶，于2016年11月26日公映。同年5月，主演舞台剧《美幸》。
2017年，出演爱情剧《东京白日梦女》，在剧中扮演居酒屋店主的女儿鸟居小雪。3月5日，出演富士系静冈电视台制作感动地球特别节目《加勒比海与神圣之泉 ～大岛优子的墨西哥之旅》播出；和小林聪美共同主演电视剧《蔚蓝海岸10号》，于2017年11月20日播出。
2018年3月4日，出演富士系静冈电视台制作感动地球特别节目《大岛优子想去尼泊尔！巡游高空中的喜马拉雅和野生乐园》播出。5月11日，友情出演吉田羊主演的电影《Love x Doc》上映。
2019年1月，出演俄国作家陀思妥耶夫斯基长篇小说改编的舞台剧《罪与罚》，在剧中饰演索尼娅。9月30日，出演的NHK晨间剧《绯红》播出。11月2日，参与演出朗读剧《情书》。
2020年1月，出演WOWOW台电视连续剧《一看便知》开播。1月4日，出演富士台建台60周年特别企划日剧《教场》播出。10月7日，出演日本电视台播出的日剧《东京白日梦女2020》SP版播出。10月3日，出演的电影《只能唱的心声》上映。10月22日，出演朝日台连续剧《七个秘书》开播。11月28日，出演的NHK特别剧《十三刺客》播出。
2021年1月3日，出演的富士台SP日剧《教场2》播出。2月14日，参演的大河剧《势冲青天》播出。2月15日，出演的东京电视台特别剧《神的病历簿》播出；4月11日，出演的NTV连续剧《涅墨西斯》播出。5月28日，出演的电影《明天的餐桌》上映。7月，参演电视剧《上下关系》。8月13日，其出演的电影《妖怪大战争守护者》上映。11月5日，出演Netflix电影《原来我们都没长大》。9月25日，参演的电视剧《正义的天平》播出。
2022年4月1日，出演的电影《想被女子高中生杀掉》上映。4月8日，出演濑濑敬久执导的电影《鸢》。9月14日，参演的电视剧《因为忘记一切》播出。10月7日，出演的电影《七个秘书电影版》上映。10月28日，出演的电影《天间庄的三姐妹》上映。
