辰野町小野で育ち、小中学校では剣道で長野県3位となった。1995年4月、東海大学第三高等学校に入学すると陸上部に所属し、競歩の選手として活躍、全国大会で6位入賞。高校時代は訓練のため赤岳など日本の山を陸上スタイルで走って登っていた。1998年4月東海大学に入学、高校時代に引き続き1,2年時は陸上部で競歩に取り組み、日本選手権では10位となった。3年時より陸上部を離れ山岳部に所属、2年後にはヒマラヤ遠征に加わった。2001年に未踏峰クーラカンリ東峰(7,381m)に初登頂を果たし、日本スポーツ賞を受賞した。2008年7月、同じICI石井スポーツ所属のプロ登山家竹内洋岳からの誘いで8,000m峰のガッシャーブルムⅡ峰とブロードピークにサポート兼カメラマンとして参加、連続登頂に成功。2008年10月のカメット峰 (7,756m/インド) 南東壁未踏ルート初登攀の功績によって、パートナー谷口けいと共に「第17回ピオレドール賞」を日本人として初受賞。同功績により日本スポーツ賞も受賞。山岳スキー競技選手権アジア選手権団体リレー優勝、個人バーチカル5位、個人総合4位。2013年5月、ミウラエベレスト2013隊に参画し三浦雄一郎の80歳でのエベレスト登頂を撮影した。2014年、NHKテレビ番組「グレートトラバース」で日本百名山一筆書きに挑戦した田中陽希氏に撮影スタッフとして同行した。翌年、続編の日本二百名山一筆書きにも撮影スタッフとして同行している。2015年12月、世界的な山岳登攀と独自の技法による撮影実績が讃えられ、第17回秩父宮記念山岳賞を受賞した。2017年2月には「誰にもまねできない冒険と撮影を両立している」として第21回植村直己冒険賞を受賞、2017年11月には同年の8月22日に達成したシスパーレ (7,611m/パキスタン) 北東壁未踏ルート登攀の功績によって平出のパートナーでもある中島健郎と共に「第12回ピオレドールアジア賞」を受賞し、翌2018年には同功績で2度目のピオレドール賞となる「第26回ピオレドール賞」を受賞した。
2007年11月10日にフジテレビ721の番組『昭和アニメ伝説 〜テレビアニメの夜明け・エイケン〜』内で1963年1月1日放送分の「クーベルタン生まれる」が放送された。また、2009年7月1日放送の『シルシルミシル』（テレビ朝日系列）で、「アニメのオハツ」として第1回の「エンパイア・ステート・ビル開館」の一部が放送された。
「今日の人々に知られていない」キャラクターによる歴史的な出来事を描いている。出来事の説明のため、アニメーションとともに写真や映画の映像を用いたこともあった。出来事に関する資料は、当時横山隆一が『フクちゃん』を掲載していた毎日新聞から用いている。「シリーズ放映されたテレビアニメとしては日本初の作品」とされることが多いが、「漫画ニュース（漫画ショック）」（1957年 - 1959年）が本作に先駆けている。なおカラー放送アニメは『もぐらのアバンチュール』（1958年7月14日、日本テレビ）、30分のテレビアニメシリーズは『鉄腕アトム』（1963年1月1日 - 1966年12月31日、フジテレビ）がそれぞれ日本産アニメ初となる。
2012年に埼玉県狭山市の学校でプールに400匹の金魚が放流され世間を騒がせた実話を原案にしたショートフィルム。挿入歌には南沙織の「17才」にNATURE DANGER GANGがテクノアレンジを施した曲を使用している。2017年4月8日より渋谷・ユーロスペースにて1週間限定レイトショー公開が行われ、その1週間前にはVimeoなどで海外版の先行配信も行われた。
2001年に『ヤング・スーパーマン』の第1話に出演して女優デビューする。2003年お嬢様キャラの優等生サマーを演じた 『スクール・オブ・ロック』で映画デビューを果たした。2013年の10周年記念イベントでキャスト＆スタッフが再会を果たしている。2004年にニコロデオンのコメディドラマシリーズ『ドレイク&ジョシュ』で主人公ドレイク（ドレイク・ベル）の妹メーガン役に選ばれ、4シーズン続いた番組となった。テレビアニメーションの声の出演で2004年 What's New, Scooby-Doo? や2005年ディズニー・チャンネル『リロ アンド スティッチ ザ・シリーズ』がある。2005年、ファミリー映画『ヘレンとフランクと18人の子供たち』に出演。2007年コメディドラマシリーズ『iCarly』の主人公カーリー役に抜擢された。なお、『iCarly』の出演料は一話につき180,000ドルで、テレビに出演している子役としては二番目の高さである。テレビで最も稼いでいる女性子役としてギネスブックに掲載されている 。2012年まで放送が続いた『iCarly』は2009年から3年連続キッズ・チョイス・アワードで受賞するなど人気を博した。テレビ作品では Zoey 101、Just Jordan、『アンファビュラス』、『ネイキッド・ブラザーズ・バンド』などニコロデオン作品の出演が多い。2010年ニュートロジーナのブランド大使に任命され広告塔を務めた。翌年、慈善事業の為のトート・バッグのデザインを行い売上収益の中から教育機関などへ寄付されている。2010年アニメーション映画『怪盗グルーの月泥棒 3D』で孤児の長女マーゴの声を務めている。2013年、続編となる『怪盗グルーのミニオン危機一発』で再び声の出演をしている。2011年6月、ドリュー・バリモアが監督するプロモーションビデオ「Our Deal」に出演。同年秋、アイドル・スター役で法律ドラマ『グッド・ワイフ』にゲスト出演した。2015年アニメーションA Mouse Tale でドレイク・ベルと共に声の出演をしている。同年の主演ホラースリラー映画 The Intruders で恐怖体験するローズ役を演じた。同年5月にNBCのコメディドラマ Crowded が発表され、フロリダに住むパトリック・ウォーバートン演じる父とキャリー・プレストン演じる母のもとに戻ってきた娘の一人を演じている。2018年9月、DJ・マシュメロの楽曲「Happier」のミュージックビデオに出演した。