小学5年生の頃、ミュージカルの『アニー』を観劇し、同作への出演を目指して中学2年生までオーディションを受けていた。2002年、スカウトされてヒラタオフィスに所属（それ以前はムーン・ザ・チャイルドに所属していた）。Janne Da Arcの「Rainy 〜愛の調べ〜」のPV出演で女優デビュー。また、『HAPPY! HAPPY!スペシャル』（BS日テレ）でテレビドラマ初出演を果たす。2003年、映画『HINOKIO』のメインキャストである工藤ジュン役に、オーディションで1,000人を超える応募者の中から抜擢される。

発端は櫻井演じる主人公・鳴海涼介の恋人・松原聡子を演じる多部未華子に対する「顔が変わった」というネットの書き込み。2人は13日朝に放送された「ZIP！」（日本テレビ系）に出演、ガッツリと濃厚メイクを施した多部に視聴者の目は釘づけになった。

「今回のドラマの番宣で多部はいくつかの日テレの番組に出ていますが、かつてのナチュラル癒し系から一転したクッキリした顔が目立っている印象です。そのせいで、ネット上では『多部ちゃん整形した？』『カラコンじゃない？』『アイラインのせいでしょ』『イジったというより太った？』など、彼女の異変に様々な憶測が飛び交いました。おそらく役柄に合わせてメイクを変えたことが影響したのでしょう。

この日の多部は、いつもは下ろしている前髪をサイドに流しておでこを出し、化粧もトレンドの色味の強い口紅を塗るなどいつもよりしっかりメイクを施していた。これにより、デビュー当初から前髪パッツンに薄化粧と幼いイメージのあった多部だが、垢抜けた雰囲気を醸し出していた。

この姿にネット上では不満の声が続出し「化粧が濃すぎて変！　もっとナチュラルなメイクにしなよ！」「多部ちゃんこんな顔だったっけ？　なんか個性なくなっちゃったな」「ありがちなカワイイ顔になってしまった」「ケバく見える。あどけない顔がよかったのに」とお節介なアドバイスまでも噴出。どうやら、多部が可愛いことには変わりはないが、薄化粧でナチュラルな雰囲気のほうが好まれているようだ。

2002年、第27回ホリプロタレントスカウトキャラバン『ピュアガール2002』グランプリ受賞を経て本格的に女優活動を始めた。同オーデション参加以前にも、現在の所属芸能事務所であるホリプロ系列の俳優養成所であるホリプロ・インプルーブメント・アカデミーに所属（5期生）し、石神 国子名義で映画『ホ・ギ・ラ・ラ』『船を降りたら彼女の島』へ出演しており、芸能活動の経験がある。

2000年、第25回ホリプロタレントスカウトキャラバンで審査員特別賞を受賞し、芸能界デビュー。2001年、日本テレビ系ドラマ『金田一少年の事件簿』で女優デビュー。2003年、フジテレビ系ドラマ『僕の生きる道』で初の連続ドラマレギュラー出演。2004年、TBS系ドラマ『世界の中心で、愛をさけぶ』のヒロインに抜擢される。2005年、年末に第47回 輝く!日本レコード大賞で司会を務める。