2003年，姚星彤參演電視劇《和你在一起》，飾演紫衣正式出道。
2004年，參演反黑題材電視劇《非常道》，飾演陳小雨；參演電視劇《刑警故事》；參演都市情感劇《海的誓言》，飾演路雅捷。2005年，參演武俠電視劇《游劍江湖》。
2006年，參演古裝愛情劇《庚子風(fēng)云》，飾演四格格；參演古裝歷史劇《康熙微服私訪記5》，飾演錢香雅；同年由其主演的電影《成長》上映。
2007年，主演盜墓電視劇《墓道》；主演懸疑電視劇《撞車》，飾演劉瑩。
2008年，主演殘奧會獻(xiàn)禮片《綻放》并憑借該片榮獲第二十七屆金雞百花電影節(jié)“最佳女主角”提名獎(jiǎng)；主演都市愛情影片《愛情童話》上映。繼而參演愛情電影《變身契約》，飾演女主角毛啦啦并演唱主題曲《我又想你了》。
2009年，參演都市浪漫愛情電影《感情生活》并為該片演唱了主題曲《我們的感情生活》，在多次為影視作品獻(xiàn)唱主題曲后，姚星彤的音樂才華得到肯定，發(fā)行了首張個(gè)人EP大碟。2010年，參演都市家庭劇《我要一個(gè)家》，飾演孟小雨。
2011年獲得成龍邀請，在成龍電影《十二生肖》中飾演女主角coco，首次挑戰(zhàn)動(dòng)作電影的姚星彤不僅要學(xué)習(xí)法語和沖浪以靠近角色，還要親自上陣演繹跳崖、跳海、墜樹等高難度橋段，并憑借該片在第65屆戛納電影節(jié)上被外媒贈予"中國新美"。
2012年5月，姚星彤作為電影《十二生肖》主角亮相第65屆戛納電影節(jié)競賽單元紅毯。美國電影雜志《Hollywood Reporter》刊登了姚星彤“中國電影之夜”禮服造型全身大圖，她也是此次影展唯一一個(gè)登上該刊的華人女星。
2013年，姚星彤赴美游學(xué)，在紐約進(jìn)修表演的同時(shí)，還利用業(yè)余時(shí)間與美國好萊塢經(jīng)紀(jì)公司Untitled Entertainment簽約，繼續(xù)自己的演藝工作。10月，姚星彤以貴賓VIP身份受邀參加巴黎2014春夏系列發(fā)布會看秀，首次出現(xiàn)在國際時(shí)裝周上。
2014年，參演都市愛情喜劇電影《前任攻略》，飾演女一號夏露。同時(shí)出版首部半自傳體小說《致前任》。中韓明星聯(lián)合主演的爆笑喜劇《斐濟(jì)99°C的愛情》也已拍攝完畢，2014年暑期檔公映。
2015年5月19日，主演的《土豪520》在京舉辦首映禮，電影于5月21日正式上映。同時(shí)主演的電影《我是誰2015》將于6月5日上映。
