来自日本冲绳的二阶堂富美是日本武士的后裔，在影迷母亲的教养下，自小就对表演感兴趣，后被〈冲绳美少女图鉴〉挖掘成为杂志模特儿。国中时就成为役所广司导演电影处女作《蛤蟆的油》女主角，高中时便在园子温的电影《不道德的秘密》担任主角并与染谷将太并列获得第六十八届威尼斯电影节最佳新人奖，成为影坛超新星。
《不道德的秘密》描述中学生住田佑一的愤世嫉俗生活，以日本大地震与海啸和核灾作为背景，二阶堂所饰演的茶泽景子是住田不请自来的生活小秘书，直到一场暴戾罪行发生，将年轻人引领至毁灭之途。在二○一一年的《三个未婚妻》中，二阶堂饰演男主角山田孝之梦想中的溜冰女神亦是缪思，这个谜样的溜冰女孩有如梦境般的甜美存在，总是在聆听脚踏三条船的男主角的各种感情疑难杂症，是个多角恋情的开导者角色。
二○一二年，于三池崇史与伊藤英明合作、挑战《大逃杀》与《告白》在日本影史地位的《恶之教典》中，二阶堂富美饰演残酷血腥教师魔掌底下侥幸逃生的女学生片桐怜花，她所饰演的角色是观众唯一救赎，也是微弱希望的的象征。在被称为日本版《沉默的羔羊》的《脑男》中，二阶堂饰演东京无差别连续爆破事件的嫌疑人，但她又牵扯出另一个爆炸案共犯铃木，其脑部运转方式异常精密，令人诧异。
《地狱开麦拉》中二阶堂饰演黑道老大的女儿。在她小时候拍摄一个广告成为童星以后再也没红过，然而她所在广告内欢唱的洗脑歌、以及可爱的稚颜形象，却造就了极道之妻意欲让女儿成为电影明星的无边梦想。无独有偶，另一边也有黑道老大冀求能再看到童星回归，一场疯狂的黑道电影梦的逐梦之旅于焉展开。
二阶堂富美除了饰演典型的可爱女孩与耍狠不手软的超杀角色以外，也很适合扮装。在《四十九日的幸福秘方》中她便饰演一个罗莉妹仔为老人做洗澡服务，驾驭超违和情境没在怕。故事描述患有不孕症、丈夫外遇的百合子一次因继母去世而回到名古屋乡下老家，回乡之后发现陌生妹仔与日籍巴西青年都在继母的安排之下，为她展开了一场日本版的《父后七日》。
《告白》导演中岛哲也在二○一四的作品《渴望。》中也找二阶堂富美演出，在役所广司、中谷美纪、妻夫木聪、小田切让和小松菜奈领衔主演的云集众星面前，二阶堂的毒女角色并不突出，然而也安份存在于血腥的一隅。再一个转身，二阶堂在山下敦弘导演作品《极道好声音》中以自然的面貌姿态演活一个接收父亲KTV录音室家业而当起女老板的大阪中辍美少女。一日她收养了一个来路不明的失忆男，将之命名为小狗男，因录音室赤犬乐团主唱刚好出事没法演唱，歌声异常好听的小狗男自然而然变成临时的主唱。看似无为而治，但赤犬乐团却渐渐成为她赖以维生的信念。
在《甜蜜的哀伤》二阶堂化身为一只红色金鱼。老作家买了一只红色金鱼，而金鱼变身为人类的模样，成为老作家的情妇。此举引来老作家多年前的情妇、已成为幽灵的女人醋劲大发！偏偏死去的大文豪芥川龙之介也来乱入，一场剪不断理还乱的热闹仲夏夜之梦于焉展开。二阶堂既演奇幻艺文电影，也演都会青年求职剧。根据朝井辽小说〈何者〉改编的电影描述五位面临毕业求职的大学生，一面相互鼓励，一面私下竞赛谁先求职成功？！友情、爱情、背叛与伪善，都写实投射出当代日本年轻人的内心样貌。二阶堂富美所饰演的求职女强人理香，成为众人所以为的胜利组代表人物。
二阶堂最新电影作品为《飞翔吧！埼玉》，在这部疯狂喜剧中描述了一个东京人歧视埼玉人的虚构世界。二阶堂富美饰演贵族学生会长，女扮男装的她与男主角展开一场少女心喷发的BL恋曲，他为爱反对父亲的革命恋爱情怀，成为跨越县市藩篱的唯一解答。
