1956年，曾參演東京廣播電臺的節目《赤銅鈴之助》。同年參加兒童合唱團。14歲時參加了電視劇《來無影去無蹤的偵探》的演出。
1960年，在日活公司開始演員生涯，此後與浜田光夫合作演出多部青春片，成為60年代日本影壇上的青春偶像。
1962年，讀高中時主演浦山桐郎導演的《化鐵爐林立的街》，成功地扮演了壹個清新純潔、品學兼優的少女，年僅17歲便獲得當年“藍綬帶獎”的最佳女主角獎，從此聲名日盛，被影迷們親切地稱呼為 “小百合花”；在高中的幾年之中，***拍攝了20部青春片，同時不誤學業，故有“優秀學生”之稱；這些影片包括《黑暗中的口哨聲》、《我不死》、《化鐵爐林立的街》、《花、少女和白色的路》、《他與我》、《割草姑娘》、《妳好，二十歲》、《伊豆的舞女》、《歸鄉 》等。
1961年被授予電影制作協會新演員獎，1962年又獲藍綬帶獎的最佳女主角獎和日本廣播協會的最佳新人獎 。
1965年，考入早稻田大學第二文學部史學科，在就學之時繼續從事電影拍攝。
1969年大學畢業。70年代，開始扮演有深度的婦女形象，相繼在《皇帝不在八月》、《沖動殺人，兒子啊》、《海峽》、《天國車站》等優秀影片中扮演重要角色。
1973年，與比自己大十五歲的電影制片人岡田太郎結為夫婦；
1975年，與仲代達矢***同主演浦山桐郎導演的《青春之門》，在片中出色地扮演了壹個燒炭工的妻子。
1982年，與高倉健等壹起主演了森谷司郎導演的《海峽》，在片中飾演了壹個美麗純情的女性形象；
1984年，主演《天國車站》和《阿凡》，以其爐火純青般的技藝囊括了當年日本各項電影大獎中的最佳女主角獎；
1985年，又獲新設立的電影大獎——田中絹代獎。1987年，日本推出紀念著名電影演員田中絹代的傳記影片《電影女演員》，吉永小百合扮演女主人公，這是她自開始銀幕生涯以來的第99部作品。她曾被《電影旬報》評為最受歡迎的十大女明星之壹。在從藝的40多年裏，吉永小百合出演了超過百部影片。
2001年，她與日本男星織田裕二壹同獲得了由東京電影記者會選出的“第四十三回藍絲帶獎”最佳男主角與最佳女主角頭銜。
2014年，日本雜誌《周刊大眾》舉辦以外型選出心目中“最美女星”活動中，吉永小百合以69歲高齡，擊敗眾辣妹，榮登冠軍。
吉永小百合是日活公司（正式名稱為日本活動寫真株式會社）的當家女演員，與濱田光夫於1960年代在日本電影界掀起壹陣狂瀾。對於當時壹直因循守舊走男性向動作電影路線的日活公司來說，吉永和浜田這對金牌組合以他們的純愛青春鳳格的電影，使得他們又獲得了大批新粉絲的認可和支持。特別是影片《化鐵爐之街》以及由暢銷書改編的《凝視愛與死亡》等都是人們的話題之作。
隨著溴素紙（攝影中指塗有溴化銀的印相感光紙）在1964年（昭和39年）、1968年（昭和43年）、1969年（昭和44年）這幾年間的熱賣和銷售額實績使得吉永小百合閃耀在女性部門的第壹位。與她壹同走過青春時代的同輩們有許多人都是她的影迷，人們***稱這些影迷為“サユリスト（Sayurist）”。其中也不乏像 TAMORI，野阪昭和這樣的有名人。
吉永小百合主演的電影原作者川端康成、石阪洋次郎兩位大作家也非常欣賞她，川端康成曾為了見她壹面而突然到訪《伊豆的舞女》位於深山中的外景拍攝現場，而石阪洋次郎則是以吉永來飾演為設想前提特意撰寫了作品。
在1970年代她也有壹段低迷時期，恰巧這段時期又正處日本電影界的衰退期，加之吉永小百合的結婚對象是大她15歲的商業界人士，兩人的職業面貌在常人眼裏極不相符，於是遭到父母反對後吉永小百合與他們的關系壹度僵持。此事被報道後，越發使得吉永小百合的演藝活動驟減。當時的日本影片界湧現出許多敢於塑造無畏裸露的現代女性形象的年輕女演員，以至於吉永小百合從1960年代開始壹成不變地演繹“清純姑娘”的套路早已讓人覺得陳舊不新了。在 1975年（昭和50年），吉永小百合終於首次脫離“清純姑娘”的路線在《青春的門》中扮演為人妻的角色。雖然除出道時期以外，吉永小百合就從沒出演過任何電視劇，但在電影演出開始減少的時期裏，她便在NHK大河劇中擔任角色。在1981年（昭和56年）的日劇《夢千代日記》裏，吉永小百合將壹位成熟女性的情感經歷表現得豐富飽滿，壹躍成為人們的話題之作。從那之後，她同時受到評論家們對她演技刁難和具有大牌女演員魄力的褒貶不壹的評價。“サユリスト”的復權也是在同時期，此後即使處於日本電影低迷期吉永小百合也會定期出演影片。
吉永小百合在以廣島為舞臺的《愛與死的紀錄》中的出演，以及在《夢千代日記》中扮演忍受原子彈輻射癥病痛的主人公後，她便從1986年（昭和61年）開始以誌願者的身份參加原子彈詩歌朗讀會。如今她不僅繼續著她的演藝活動，更將反戰爭反核武運動作為畢生的另壹重要事業。
吉永小百合的電視演出僅僅活躍在廣告中，除此之外仍以電影為主。最新出演的電影作品既預定2008年公開上映的《母親啊》已是她第112部作品。
2009年，入選日本百年來最漂亮的十名女優。日本《文藝春秋》季刊於2009年邀請作者和讀者投票選出了日本最漂亮和最有魅力的十個女演員。***有1043人參與了這次投票，上榜的十名女演員，依次為:原節子、吉永小百合、高峰秀子、田中絹代、巖下誌麻、京町子、山田五十鈴、若尾文子、岸惠子、藤純子。