2009年，出演电视剧《曾经是爸爸的妈妈》。
2010年6月，出演中岛哲也执导的剧情电影《告白》饰演内藤由香里，之后活跃在《pure2》u15杂志上。同年，初主演电影《长大成人的夏天》。
2013年，在爱情喜剧《一吻定情》中饰演石川理美一角；同年，在晨间剧《海女》中饰演樱庭。
2014年，出演真人电影《寄生兽》饰演裕子；同年，出演真人电影《零》饰演野原カスミ。
2016年7月2日，参演剧情片《人狼游戏：越狱》上映；10月1日，领衔主演电影《灰姑娘游戏》上映。
2018年1月18日，参演电视剧《灵能百分百》播出；2月，参演电影《樱桃男孩》饰演岩波一角；7月，参演电影《Code Blue》饰演富泽未知。
2020年2月7日，主演悬疑片《假塑料星球》在日本公映，山谷花纯在片中饰演贫困女子与失踪女演员两个角色。并凭借该片在马德里国际电影节2019荣获最佳外语电影主演女演员奖；2月28日，参演动作喜剧《湘南纯爱组！》播出；8月20日，参演石原里美主演的电视剧《默默奉献的灰姑娘药师》播出；10月30日，参演喜剧电影《炸猪排DJ扬太郎》上映；11月13日，参演北村匠海与小松菜奈主演的家庭电影《樱》上映。
2021年4月1日，参演的电视剧《森村誠一ミステリースペシャル 終着駅シリーズ37 停年のない殺意》播出，在剧中饰演晴美；10月15日，与古川雄大主演悬疑剧《真实的哥哥》首播。
2022年2月15日，参演的电视剧《liar》播出；4月29日，参演萩原实里主演的剧情片《N号栋》上映，并在片中扮演大学生真帆；5月30日，参演的电视剧《腐男子调酒师的嗜好》播出；8月5日，参演古川雄辉主演的电影《猫物件 电影版》上映。10月28日，出演的电影《天间庄的三姐妹》上映，饰演天间庄的新房客芦泽优那。2022年，参演的《 初恋的恶魔》上映。
