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年与吴秀波主演电视剧《嫁衣》播出,吕一饰演女主角尹小穗。
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,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《Hollywood Reporter》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Untitled Entertainment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年北京卫视,东方卫视播出的《平凡的世界》,吕一饰演贺秀莲。
2017年出演暖甜治愈都市爱情剧《时间都知道》,饰演气质温婉的商业女精英易碧雅。