1999年，14岁的栗山千明凭借电影《死国》出道，因饰演一个悲惨的幽灵而受到关注 。
2003年，参演了由昆汀·塔伦蒂诺执导，乌玛·瑟曼、刘玉玲、千叶真一等人主演的动作片《杀死比尔》，栗山千明在片中饰演制服美少女杀手 。
2004年，与成宫宽贵主演了根据日本漫画家矢泽爱的同名漫画改编而成的爱情电影《下弦之月》，饰演拥有“下弦之月”一般朦胧美的神秘美人“望月美月”，该片是栗山千明首次担当主演； 9月，签约北京星泽国际影视公司，成为第一个落户北京的日本明星 。
2005年3月，栗山千明参演的古装武侠片《少女杀手阿墨2》上映； 10月，与小田切让合作，主演的剧情片《天堂失格》上映，栗山千明饰演问题少女“崎藤村”。
2008年，栗山千明首次挑战舞台剧，出演由井上厦编写剧本、蜷川幸雄执导的作品《道元的冒险》，扮演一个禅僧 。
2009年1月10日，与洼田正孝主演的时代剧《浪花的华彩～绪方洪庵备忘录》（又名《浪花之花》）首播，栗山千明在剧中饰演女扮男装的美女左近和包子铺老板娘两个角色。这也是栗山千明第一次出演历史剧 。
2011年3月2日，发行单曲《美味的季节/决定性的三分钟》；3月16日，发行首张专辑《CIRCUS》 。
2012年，参演了由堤幸彦执导，户田惠梨香、加濑亮主演的奇幻犯罪电影《SPEC：天》，栗山千明在片中饰演神秘归国女子“青池里子” 。
2013年，搭档冈田准一、荣仓奈奈、福士苍汰、田中圭，主演了根据有川浩的同名小说改编的科幻电影《图书馆战争》，饰演武藏野第一图书馆业务部成员“柴崎麻子” 。
2015年5月30日，与桐谷健太、三浦贵大、丰原功补等联袂出演的剧情片《播种的旅人：传说的故乡》上映，栗山千明继《GS乐园》之后，时隔6年再度在电影中担当主演，并首次扮演政府官员角色 ；10月10日，参演的科幻电影《图书馆战争2：最后的任务》上映 。
2016年1月2日，搭档东山纪之主演的时代剧《信长燃烧》首播 ；4月29日，领衔主演的爱情剧《不愉快的果实》播出，栗山千明饰演在律师事务所当秘书的已婚主妇“水越麻也子” ；8月6日，与生田斗真、冈田将生、大森南朋共同主演的悬疑科幻片《秘密》上映，栗山千明在片中饰演法医第一研究室的监察医生“三好雪子” 。
2018年，出演由龟梨和也主演的电视剧《FINALCUT》将播出 。出演真人电视剧《银河铁道999GalaxyLiveDrama》 。接拍10月6日开播的东京台日剧《沉默的声音～行动心理搜查官?楯冈绘麻～》，饰演0.2秒就能看破谎言的刑警 。
2019年4月11日，出演的电视剧《沉默的声音～行动心理搜查官?楯冈绘麻～第二季》播出 。
2020年3月24日，宣布和spacecraft事务所契约期满退社，成立独立个人工作室。
2020年10月9日，出演的电视剧《24小时日本》播出 。
2021年4月7日，主演的电视剧《恋爱喜剧的法则~自卑女与年下男~》播出 ；参演电视剧《桃与梅》。
