徳岛县立穴吹高等学校毕业后，在2001年4月进入鹿屋体育大学就读。她在2002年9月日本大学游泳锦标赛中，于400公尺及800公尺自由泳皆获得亚军。横滨举行的2002年泛太平洋游泳锦标赛是柴田亚衣首次在国际比赛中登场，虽然她未获得任何奖牌。她在2003年世界游泳锦标赛代表日本参加400公尺、800公尺及1500公尺自由泳。柴田亚衣在2004年夏季奥林匹克运动会中代表日本参加400公尺及800公尺自由泳，并获得800公尺自由泳金牌，成为日本自从山中毅于1960年获得自由泳银牌以来，首位于自由泳获得奖牌的日