來自日本沖繩的二階堂富美是日本武士的後裔，在影迷母親的教養下，自小就對錶演感興趣，後被〈沖繩美少女圖鑑〉挖掘成爲雜誌模特兒。國中時就成爲役所廣司導演電影處女作《蛤蟆的油》女主角，高中時便在園子溫的電影《不道德的祕密》擔任主角並與染谷將太並列獲得第六十八屆威尼斯電影節最佳新人獎，成爲影壇超新星。
《不道德的祕密》描述中學生住田佑一的憤世嫉俗生活，以日本大地震與海嘯和核災作爲背景，二階堂所飾演的茶澤景子是住田不請自來的生活小祕書，直到一場暴戾罪行發生，將年輕人引領至毀滅之途。在二○一一年的《三個未婚妻》中，二階堂飾演男主角山田孝之夢想中的溜冰女神亦是繆思，這個謎樣的溜冰女孩有如夢境般的甜美存在，總是在聆聽腳踏三條船的男主角的各種感情疑難雜症，是個多角戀情的開導者角色。
二○一二年，於三池崇史與伊藤英明合作、挑戰《大逃殺》與《告白》在日本影史地位的《惡之教典》中，二階堂富美飾演殘酷血腥教師魔掌底下僥倖逃生的女學生片桐憐花，她所飾演的角色是觀衆唯一救贖，也是微弱希望的的象徵。在被稱爲日本版《沉默的羔羊》的《腦男》中，二階堂飾演東京無差別連續爆破事件的嫌疑人，但她又牽扯出另一個爆炸案共犯鈴木，其腦部運轉方式異常精密，令人詫異。
《地獄開麥拉》中二階堂飾演黑道老大的女兒。在她小時候拍攝一個廣告成爲童星以後再也沒紅過，然而她所在廣告內歡唱的洗腦歌、以及可愛的稚顏形象，卻造就了極道之妻意欲讓女兒成爲電影明星的無邊夢想。無獨有偶，另一邊也有黑道老大冀求能再看到童星迴歸，一場瘋狂的黑道電影夢的逐夢之旅於焉展開。
二階堂富美除了飾演典型的可愛女孩與耍狠不手軟的超殺角色以外，也很適合扮裝。在《四十九日的幸福祕方》中她便飾演一個羅莉妹仔爲老人做洗澡服務，駕馭超違和情境沒在怕。故事描述患有不孕症、丈夫外遇的百合子一次因繼母去世而回到名古屋鄉下老家，回鄉之後發現陌生妹仔與日籍巴西青年都在繼母的安排之下，爲她展開了一場日本版的《父後七日》。
《告白》導演中島哲也在二○一四的作品《渴望。》中也找二階堂富美演出，在役所廣司、中谷美紀、妻夫木聰、小田切讓和小松菜奈領銜主演的雲集衆星面前，二階堂的毒女角色並不突出，然而也安份存在於血腥的一隅。再一個轉身，二階堂在山下敦弘導演作品《極道好聲音》中以自然的面貌姿態演活一個接收父親KTV錄音室家業而當起女老闆的大阪中輟美少女。一日她收養了一個來路不明的失憶男，將之命名爲小狗男，因錄音室赤犬樂團主唱剛好出事沒法演唱，歌聲異常好聽的小狗男自然而然變成臨時的主唱。看似無爲而治，但赤犬樂團卻漸漸成爲她賴以維生的信念。
在《甜蜜的哀傷》二階堂化身爲一隻紅色金魚。老作家買了一隻紅色金魚，而金魚變身爲人類的模樣，成爲老作家的情婦。此舉引來老作家多年前的情婦、已成爲幽靈的女人醋勁大發！偏偏死去的大文豪芥川龍之介也來亂入，一場剪不斷理還亂的熱鬧仲夏夜之夢於焉展開。二階堂既演奇幻藝文電影，也演都會青年求職劇。根據朝井遼小說〈何者〉改編的電影描述五位面臨畢業求職的大學生，一面相互鼓勵，一面私下競賽誰先求職成功？！友情、愛情、背叛與僞善，都寫實投射出當代日本年輕人的內心樣貌。二階堂富美所飾演的求職女強人理香，成爲衆人所以爲的勝利組代表人物。
二階堂最新電影作品爲《飛翔吧！埼玉》，在這部瘋狂喜劇中描述了一個東京人歧視埼玉人的虛構世界。二階堂富美飾演貴族學生會長，女扮男裝的她與男主角展開一場少女心噴發的BL戀曲，他爲愛反對父親的革命戀愛情懷，成爲跨越縣市藩籬的唯一解答。
