2003年，姚星彤参演电视剧《和你在一起》，饰演紫衣正式出道。

2004年，参演反黑题材电视剧《非常道》，饰演陈小雨；参演电视剧《刑警故事》；参演都市情感剧《海的誓言》，饰演路雅捷。2005年，参演武侠电视剧《游剑江湖》。

2006年，参演古装爱情剧《庚子风云》，饰演四格格；参演古装历史剧《康熙微服私访记5》，饰演钱香雅；同年由其主演的电影《成长》上映。

2007年，主演盗墓电视剧《墓道》；主演悬疑电视剧《撞车》，饰演刘莹。

2008年，主演残奥会献礼片《绽放》并凭借该片荣获第二十七届金鸡百花电影节“最佳女主角”提名奖；主演都市爱情影片《爱情童话》上映。继而参演爱情电影《变身契约》，饰演女主角毛啦啦并演唱主题曲《我又想你了》。

2009年，参演都市浪漫爱情电影《感情生活》并为该片演唱了主题曲《我们的感情生活》，在多次为影视作品献唱主题曲后，姚星彤的音乐才华得到肯定，发行了首张个人EP大碟。2010年，参演都市家庭剧《我要一个家》，饰演孟小雨。

2011年获得成龙邀请，在成龙电影《十二生肖》中饰演女主角coco，首次挑战动作电影的姚星彤不仅要学习法语和冲浪以靠近角色，还要亲自上阵演绎跳崖、跳海、坠树等高难度桥段，并凭借该片在第65届戛纳电影节上被外媒赠予"中国新美"。

2012年5月，姚星彤作为电影《十二生肖》主角亮相第65届戛纳电影 节竞赛单元红毯。美国电影杂志《Hollywood Reporter》刊登了姚星彤“中国电影之夜”礼服造型全身大图，她也是此次影展唯一一个登上该刊的华人女星。

2013年，姚星彤赴美游学，在纽约进修表演的同时，还利用业余时间与美国好莱坞经纪公司Untitled Entertainment签约，继续自己的演艺工作。10月，姚星彤以贵宾VIP身份受邀参加巴黎2014春夏系列发布会看秀，首次出现在国际时装周上。

2014年，参演都市爱情喜剧电影《前任攻略》，饰演女一号夏露。同时出版首部半自传体小说《致前任》。中韩明星联合主演的爆笑喜剧《斐济99°C的爱情》也已拍摄完毕，2014年暑期档公映。

2015年5月19日，主演的《土豪520》在京举办首映礼，电影于5月21日正式上映。同时主演的电影《我是谁2015》将于6月5日上映。2015年12月，姚星彤获得韩国电影演员协会大奖“中国地区最受欢迎女演员奖”。

2016年，与阿诺·施瓦辛格、成龙主演好莱坞奇幻巨制影片《龙牌之谜》，她在片中饰演女一号公主成兰。

2017年，与张涵予、李雪健、秦俊杰、舒畅等演员共同主演电视剧《天下长安》，饰演女主李木兰。

2018年，与立威廉领衔主演电影《冷恋时代》。

2019年2月，主演中法合拍喜剧电影《那个粉红色的盗贼》饰演女一号贾清纯；同年5月，与既是导演又是主演的李炳渊合作动作电影《中国斗士》饰演女一号丹姐；6月，与胡军、释小龙等演员共同主演大型古装玄幻电影《金禅降魔》，饰演女一号叶知秋；7月28日，受邀出席成龙第五届国际动作电影周；8月12日，主演的电影《毕业的我们》发布先导预告与定档海报，官宣定档8月27日；8月28日，获得第十四届首尔国际电视节“亚洲明星奖”。