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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《HollywoodReporter》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UntitledEntertainment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”。
2009年，因在电影《绽放》中出演盲女“月明”一角，姚星彤被中国残联授予了“文化爱心助残大使”的称号，并成为中残联“绽放”基金的形象代言人。
2010年世博会期间，姚星彤和濮存昕共同为世博会的阳光生命馆拍摄公益宣传片。
2013年初，因《十二生肖》而大红大紫的姚星彤还惦记着曾经合作过的残疾人朋友们，专程赶赴杭州邀请浙江省残疾人艺术团的演员一起观影，并用简单手语与聋哑人演员进行交流。
2014年3月20日，姚星彤来到河北省衡水市桃城区河沿镇种高村，参加由中国妇女发展基金会携手华谊兄弟文化经纪有限公司组织的“为了母亲的微笑”公益活动并为当地贫困老年妇女发放优质大米。姚星彤前后出资200多万元购买优质大米，通过中国妇联妇女发展基金会先后发放给甘肃、青海、贵州、广西、宁夏、四川及河北等地区的近万名贫困母亲。
2015年6月15日，姚星彤出席了《2015星光上海—华谊ELLE之夜》五周年庆典活动。
2017年8月姚星彤收到“2017年加拿大金枫叶国际电影节”邀请将担任本届电影节评委一职。
姚星彤不仅仅有着出色的外表，演技也是相当了得。
姚星彤虽然是个新人，但其表演实力确实很棒，在影片《绽放》中，她演绎的盲女月明不仅把一个先天失明的女子的肢体动作表现得非常到位，而且将这个人物丰富细腻的内心情感也刻画得淋漓尽致。
我完全没想到星彤写得这么好。这本《致前任》里写到男女之间微妙的心理，我想每个谈恋爱的人都可以看看，尤其是那些谈过好几次恋爱的，可能对自己处理同前任的关系会有很大的帮助。星彤的这本小说真的特别棒，还有同事告诉我，她们都看哭了。