栗山千明自幼便与时尚行业结缘，早在五岁之际就作为童装模特开始了她的演艺生涯。她曾长期怀抱着成为一名专业时装模特的梦想，并为此付出了诸多努力。然而，大约在小学六年级阶段，她的身高成长在接近160厘米时便基本停滞，这一身体条件的限制使得她原先设定的职业道路难以继续，最终不得不遗憾地放弃了成为时装模特的理想。与此同时，在十一岁那年，栗山千明开启了她的舞蹈学习之旅，通过系统的训练进一步培养了她的艺术表现力与肢体协调能力。回顾其早年公开的照片，可以清晰地看到她从童年到青少年时期的形象转变与成长轨迹。
一九九九年，年仅十四岁的栗山千明通过电影《死国》正式踏入演艺界，她在片中扮演一位命运凄凉的幽灵角色，由此开始受到影坛的关注；同年，她还参与了由宇崎龙童、真野响子、万田久子等人共同出演的电视剧《キャッチボール日和》，该剧的播出进一步扩大了她的知名度。进入二〇〇〇年，她的演艺活动更为活跃：六月十九日，她出演的电视剧《关于爱》正式与观众见面；十月九日，另一部由她参演的深夜剧集《秘密俱乐部》也如期播出；到了十二月十六日，她与北野武、藤原龙也、前田亚季等知名演员合作，主演了由深作欣二执导的惊悚题材电影《大逃杀》，在片中她生动诠释了运动部精英“千草贵子”这一角色。二〇〇三年，栗山千明获得了参与国际制作的机会，她参演了由昆汀·塔伦蒂诺执导，乌玛·瑟曼、刘玉玲、千叶真一等众多明星主演的动作大片《杀死比尔》，她在影片中塑造了一位令人印象深刻的制服美少女杀手形象。紧接着在《杀死比尔》中，她再次饰演了类似的制服美少女杀手角色，进一步巩固了其在此类角色上的独特表现力。二〇〇四年，她与成宫宽贵联袂主演了改编自日本漫画家矢泽爱同名漫画的爱情电影《下弦之月》，在片中她饰演了带有“下弦之月”般朦胧美感的神秘女性“望月美月”，这也是栗山千明职业生涯中首次担任影片的主演，意义非凡；同年九月，她正式与北京星泽国际影视公司签约，成为首位将事业发展重心落户于北京的日本艺人，此举在当时引发了广泛关注。二〇〇五年三月，她参演的古装武侠电影《少女杀手阿墨2》登陆影院；同年十月，她与小田切让合作主演的剧情片《天堂失格》上映，在片中她成功刻画了问题少女“崎藤村”这一复杂而富有挑战性的角色。
二零零六年一月六日，由稻垣吾郎与栗山千明搭档出演的电视剧《女王蜂》正式与观众见面，她在该剧中成功塑造了大道寺智子这一角色；同年二月二十四日，她又与筱原凉子、井川遥等多位演员共同出演了电视剧《女人们的选择》，并在其中饰演性格天真烂漫、待人热情开朗的藤岛玲；此外，在同年播出的单集剧《春天，相遇在巴尼斯百货》中，栗山千明与寺岛进、西岛秀俊合作，饰演了画家纱江一角，进一步展现了其表演的多样性。时间来到二零零八年，四月十二日，她与温水洋一共同出演的电视剧《人生伤停补时特别篇》播出；同年九月十四日，搭档内野圣阳、真矢美纪出演的悬疑剧《天狼星之路》也与观众见面，她在剧中饰演了拥有独特感性的派遣员工平野，这一角色给观众留下了深刻印象；同样是在这一年，栗山千明首次挑战舞台剧领域，参演了由著名剧作家井上厦编写剧本、知名导演蜷川幸雄执导的作品《道元的冒险》，并在其中尝试扮演一位禅僧，这标志着其演艺事业的一次重要突破。进入二零零九年，一月十日，她与洼田正孝共同主演的时代剧《浪花的华彩～绪方洪庵备忘录》（该剧亦被称为《浪花之花》）首播，栗山千明在剧中一人分饰两角，既饰演了女扮男装的美女左近，同时也扮演了包子铺的老板娘，这两个角色具有鲜明反差，而这也是她演艺生涯中第一次出演历史剧题材的作品，为其表演履历增添了重要的一笔。
二零一零年二月十四日，由栗山千明与北村一辉共同主演的家庭题材剧集《直至告别那日》正式与观众见面；紧接着在二月二十四日，她以CHiAKi KURiYAMA的艺名正式作为歌手出道，其首支出道单曲正是为作品《机动战士高达UC》所演唱的主题曲《流星之泪》；同年四月二十七日，她参与出演的单集剧《刑事007》播出；到了七月，她与小田切让在二零零五年合作电影《天堂失格》之后再度携手，共同主演了由导演三木聪执导的夏季档日剧《热海搜查官》，在剧中栗山千明饰演了小田切让的搭档北岛纱英一角；十一月十七日，她发行了个人的第二张单曲作品《可能性女孩》。进入二零一一年一月十三日，她与余贵美子、谷村美月、洼田正孝等演员共同出演的NHK电视台剧集《恋爱的日语》播出；二月二十日，她搭档松田龙平出演的刑侦题材剧集《同期》播出；三月二日，她发行了单曲《美味的季节/决定性的三分钟》；三月十六日，她的首张个人专辑《CIRCUS》问世；四月二十七日，她与相武纱季、速水直道合作出演的喜剧《减肥反弹》播出；十月二日，她与堺雅人联袂主演的时代剧《冢原卜传》播出；十月六日，由她主演的悬疑剧《秘密谍报员绘里香》正式开播；在同一年内，栗山千明还参与了尾野真千子主演的晨间剧《康乃馨》的演出。二零一二年四月七日，她参演了由堤幸彦执导，户田惠梨香与加濑亮主演的奇幻犯罪题材电影《SPEC：天》，在片中她饰演了神秘归国女子青池里子这一角色；四月十五日，她与中居正广、北村一辉共同出演的悬疑推理剧《ATARU》播出；十一月三日，她搭档三上博史出演的电视剧《实验刑事都鸟》播出。二零一三年一月六日，她再次与中居正广、北村一辉合作出演的悬疑剧《ATARU特别篇~来自纽约的挑战书~》播出；四月二十七日，她与冈田准一、荣仓奈奈、福士苍汰、田中圭等人联袂主演了根据作家有川浩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；五月十二日，她与冢本高史共同主演的电视剧《想被送达的我们》播出，在剧中她饰演了经营理发店的女主角；六月二十七日，她与佐藤浩市、向井理、多部未华子等人出演的特别单集剧《怪物》播出；十一月二十六日，由她主演的悬疑剧《临刑前的72小时》正式开播。二零一四年七月二日，她与三浦春马、城田优共同出演的悬疑题材单集剧《杀人偏差值70》播出，在剧中她饰演了西浦佐奈一角；十一月七日，她与小泽征悦、小岛藤子等人出演的特别单集剧《Dr.看护助手》播出，饰演护士琴美；十一月二十九日，她与小岛藤子合作的另一部特别单集剧《狩猎雪姫》播出，此次她饰演了女主角的姐姐中西枫。二零一五年五月三十日，她与桐谷健太、三浦贵大、丰原功补等演员联袂出演的剧情片《播种的旅人：传说的故乡》上映，这是栗山千明继《GS乐园》之后，时隔六年再度在电影中担当主演，并且首次挑战了政府官员的角色；七月二十九日，她与渡边大主演的电视剧《独眼龙·新娘游行》播出；十月五日，她与冈田准一、荣仓奈奈、田中圭等人出演的电视电影《图书馆战争：记忆之书》播出；十月十日，她参演的科幻电影《图书馆战争2：最后的任务》上映。二零一六年一月二日，她搭档东山纪之主演的时代剧《信长燃烧》首播；四月二十九日，她领衔主演的爱情剧《不愉快的果实》播出，在剧中她饰演了在律师事务所担任秘书的已婚主妇水越麻也子；八月六日，她与生田斗真、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了法医第一研究室的监察医生三好雪子；九月十六日，她搭档中岛健人、田中圭等人出演的特别单集剧《警卫中心24时：广域警备指令室》播出；十一月十八日，由她领衔主演的悬疑剧《COPY FACE 消失的我》开播。在《COPY FACE 消失的我》中，她饰演了广泽和花与朝仓芙有子两个角色。二零一七年一月六日，她主演的特别单集剧《不愉快的果实SP：第3年的出轨》播出；四月四日，她出演的特别剧《但是想结婚！BL漫画家的别扭婚活记》播出，在剧中饰演了BL漫画家藤田晴子；四月二十九日，她与木村拓哉领衔主演的动作片《无限之住人》上映；五月二十八日，她与馆博、神田正辉出演的推理剧《十字路口：听无声见无形》播出；七月五日，她与仲村亨出演的特别单集剧《检证搜査》播出，在剧中饰演性犯罪调查专家保井凛；七月十三日，她与上川隆也主演的推理剧《遗留搜查4》开播。二零一八年一月九日，她出演了由龟梨和也主演的复仇题材电视剧《FINAL CUT》；六月十八日，她主演的真人电视剧《银河铁道999 Galaxy Live Drama》开播；六月二十二日，她主演的喜剧《近似婚外恋爱》首播，在剧中她扮演了名流主妇樱井美佐代；七月十二日，她再次与上川隆也合作主演的推理剧《遗留搜查5》播出；十月六日，她接拍并开播的东京电视台日剧《沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～》，在剧中饰演一位仅需零点二秒就能看破谎言的刑警。二零一九年一月十八日，她与门胁麦、成田凌、宽一郎等人出演的剧情电影《吉娃娃》上映，她在片中饰演了时尚杂志作家优子；三月十六日，她参演的由井上芳雄主演的舞台剧《第十二个天使》正式开演；四月十一日，由她主演的电视剧《沉默的声音～行动心理搜查官・楯冈绘麻～ 第二季》播出。
二零二零年三月二十四日，栗山千明正式宣布与所属的spacecraft事务所契约期满并退社，随后成立了独立的个人工作室，以此开启演艺事业的新阶段。同年八月九日，由她担任主演的犯罪题材电视剧《遗留搜查 SP10》正式播出，获得了观众的广泛关注。十月九日，她参演了由唐泽寿明领衔主演的电视剧《24小时日本》，在剧中精彩诠释了CTU第一支部A班主任水石伊月这一角色，展现了其扎实的演技功底。进入二零二一年，一月十四日，她与上川隆也共同主演的推理剧《遗留搜查6》与观众见面；四月七日，其主演的爱情喜剧《恋爱喜剧的法则~自卑女与年下男~》播出，栗山千明在剧中生动塑造了在电子漫画编辑部工作的角色琉璃；就在同一天，她还参与了由井之原快彦、羽田美智子等人出演的刑侦剧《特搜9第四季》的演出；九月十日，她参演了由伊藤沙莉与江口德子主演的电视剧《桃与梅》；此外，在同一年，由她主演的剧情电影《播种的旅人：华莲的光辉》也登上了大银幕，她在片中饰演了因视察莲藕农家而来到金泽的农林水产省职员神野惠子，进一步拓宽了戏路。 二零二二年一月十一日，她出演了由清原果耶主演的电视剧《Fight Song》；紧接着在同月十三日，其参演的悬疑剧《契×约—危险的搭档—》开播，她在剧中饰演了性格直爽、行事干练的警视厅公安部搜查官央莉音；五月二十日，她参演的真人漫改电影《钢之炼金术师完结篇》前后篇两部作品相继上映，她在片中成功塑造了奥利维亚·米拉·阿姆斯特朗少将这一重要角色；七月一日，她主演的美食题材电视剧《晚酌的流派》温暖播出；七月十四日，她再次与上川隆也合作，主演的推理剧《遗留搜查7》也与观众如期见面。 时间来到二零二三年，一月九日，她与丸山礼、特林德尔·玲奈等人共同出演的喜剧《因为我很爽快》播出；一月二十日，其出演的情感剧《通往内心的桥－儿童心理诊所-》播出，她在剧中饰演了一位心地善良、富有同理心的临床心理师；七月七日，她主演的另一部美食电视剧《晚酌的流派2》播出；九月二十一日，她与上川隆也三度合作，主演的特别篇电视剧《遗留搜查SP》播出；十月九日，她主演的漫改爱情剧《不易亲近的姐姐和狡猾的妹妹》开播，在剧中饰演了姐姐东乡润一角；十月十八日，她搭档水谷丰、寺胁康文等资深演员，出演的悬疑犯罪剧《相棒 第22季》正式播出。在作品《大奥》的剧照中，也能看到她专注投入的表演状态。 进入二零二四年，一月十八日，她出演了日本富士电视台制作的电视剧《大奥》，在剧中饰演了大奥总管松岛之局；四月十三日，她参演了电视剧《花咲舞无法沉默》；六月二十八日，其主演的美食剧《晚酌的流派3》播出；十月二十五日，她搭档内野圣阳、黑木华等优秀演员出演的电影《八犬传》正式上映。 展望二零二五年，其演艺行程依然充实：二月五日，她参演的电视剧《因为我很爽快2》将播出；四月三日，其主演的日本电视台深夜剧《如果她也称之为爱》开播，她在剧中挑战了坚持多重恋爱观念的主人公水野伊麻；四月二十六日，她与山本美月共同主演的百合题材漫改剧《即使成为大人》在Hulu流媒体平台独家播出；六月二十七日，其主演的美食剧《晚酌的流派4》夏篇播出；六月三十日，她搭档反町隆史出演的刑警题材剧集《TOKAGE 警视厅特殊犯搜查组》播出，在剧中饰演特殊搜查交涉员中原明日香；十月三日，她主演的美食剧系列新作《晩酌的流派4：秋冬篇》也将如期与观众见面。
二零零九年，演员栗山千明与玉山铁二因共同参与电影《秃鹫》的拍摄工作而结识，并在合作期间逐渐建立起亲密关系。同年十一月，两人的恋情被一家女性周刊杂志率先披露，引发了公众与媒体的广泛关注。直至二零一零年十一月十六日，栗山千明在出席一场品牌公开活动时，才正式对外界确认了她与玉山铁二正在交往中的事实。然而，这段关系的发展并未持续太久，就在同年十二月十六日，据《体育报知报》发布的消息称，玉山铁二与栗山千明已经决定结束恋爱关系，双方就此分道扬镳。