デビューは1998年7月4日に放送された番宣番組『倶楽部6』（TBS）。1999年放送の日本リーバ（現ユニリーバ・ジャパン）の「ポンズ・ダブルホワイト」の「ファンデーションは使ってません」という台詞のCMで注目される。以後は映画『バトル・ロワイアル』や『GO』での演技が評価され、数々のテレビドラマや映画に出演している。特に『GO』での演技は高く評価され、日本アカデミー賞 最優秀助演女優賞、キネマ旬報ベスト・テン 最優秀助演女優賞をはじめ、その年の映画賞を総なめにし、女優としての地歩を築くこととなった。主な出演映画代表作は、『バトル・ロワイアル』（2000年）、『GO』（2001年）、『黄泉がえり』（2003年）、『世界の中心で、愛をさけぶ』（2004年）、『メゾン・ド・ヒミコ』（2005年）、『日本沈没』『県庁の星』（2006年）など。2007年には妻夫木聡と共演を務めた『どろろ』が公開。同年、コメディ作品である『舞妓Haaaan!!!』で阿部サダヲ、堤真一と共に主演を務め、捨てられた恋人を追いかけて舞妓になるという風変わりなOLを演じた。翌2008年には主演作『少林少女』、福山雅治とダブル主演の『容疑者Xの献身』が公開。2010年、小川糸の小説を映画化した『食堂かたつむり』で主演を務めた。2013年には、自身もファンと公言する名探偵コナンの劇場版『名探偵コナン 絶海の探偵』でゲスト声優を務めた。また同年には、全編英語の台詞に挑戦した『47RONIN』のヒロイン役でハリウッド映画デビュー。2014年、劇団ひとりが初監督をして話題となった『青天の霹靂』に出演し、芸人である恋人をあたたかく見守るヒロインを好演した。主な出演ドラマ代表作は『GOOD LUCK!!』（2003年）、『オレンジデイズ』（2004年）、『Dr.コトー診療所』（2003年・2004年・2006年）など。いずれも高視聴率を記録した。特に『GOOD LUCK!!』は最高視聴率37%を記録し、柴咲の影響で整備士を志願する女性が急増した。2007年に放映された『ガリレオ』も大ヒットし、映画化もされた。2010年、フジテレビ開局50周年記念作品のラストである三谷幸喜脚本の『わが家の歴史』で主演を務めた。2013年には『ガリレオ』のスピンオフ作品である『ガリレオ XX（ダブルエックス） 内海薫 最後の事件 愚弄ぶ』で主演を務め、「内海刑事がもっと見たい」というガリレオファンからの要望に応える形となった。2015年『○○妻』で女優歴17年目にして初めて単独での連続ドラマ主演を務めた。2017年には、第56回NHK大河ドラマ『おんな城主 直虎』で主人公の井伊直虎を演じ、NHKドラマ初出演にして大河ドラマの主演を務めた。
1950年に朝鮮戦争が勃発すると予備役に入っていたエセックス級空母各艦も再び実戦投入されることが決まった。エセックスの近代化改装工事（SCB-27A改装）は、予備役艦隊在籍時の1949年2月から行われ、新しい操縦室や洗練された艦橋構造物が設置された他、ジェット機運用能力を持つことになった。1951年1月16日の工事終了後、エセックスはA・W・ウィーロック大佐が艦長に就任して再就役した。ハワイ近海での簡潔な訓練の後、エセックスは朝鮮戦争に第1空母戦隊と第77任務部隊（エセックス、ボクサー、ボノム・リシャール、以後順次追加及び交代）の旗艦を兼ねて極東水域に向かった。朝鮮戦争におけるエセックスの行動期間は、1951年8月から1952年3月までと同年7月から1953年1月までの2度にわたり、その間横須賀を拠点とした。。エセックスは、F2H バンシーを実戦で初めて発艦させた空母となった。1951年9月16日、被弾し帰ってきた1機のF2H が爆発と炎で7名を戦死させた後、飛行甲板前部に待機中の他の航空機に衝突した。エセックスは朝鮮水域から引き揚げて横須賀で修理を行い、10月3日には前線に戻って鴨緑江近辺への中国志願軍攻撃の支援を行った。1952年3月に一旦サンフランシスコへ帰国した後7月に戦線復帰したがその際に台湾海峡を通過し、国民党軍支援のための警備行動を行った。1952年8月29日にエセックスの艦載機はボクサーの艦載機と陸上基地から発進した空軍機約1000機と協力して平壌を爆撃し壊滅させ、9月1日にはボクサー、プリンストンとともに慶興郡の石油基地を攻撃し、北朝鮮の保有していた燃料の三分の一を焼き払った。後年、アポロ11号の船長となるニール・アームストロングはこの頃、エセックスにパイロットとして配属されていた。また従軍作家のジェームズ・ミッチェナーは作戦中のエセックスに取材で乗船しており、その経験を元に『トコリの橋』を執筆し、後に映画化された。朝鮮戦争にアメリカ海軍はエセックス級航空母艦8隻とコメンスメント・ベイ級航空母艦等の小型空母6隻を投入したが殆どが初実戦で、太平洋戦争からの空母はエセックス以外ではボノム・リシャールとインディペンデンス級航空母艦のバターンだけであった。エセックス級の後継の空母としてミッドウェイ級航空母艦があったが三隻しか建造されず、朝鮮戦争にも投入されなかった。1953年12月1日からは東シナ海において休戦監視哨戒を行った。フランス領インドシナにおける第一次インドシナ戦争が1954年3月から5月にかけてのディエンビエンフーの戦いで大詰めを迎えるとアイゼンハワー大統領は極東にいたエセックスとボクサーにフランス軍救援の準備を行うように指示し（ヴァルチャー作戦）、トンキン湾に展開したが実行されることはなかった。1954年11月から1955年6月にかけては訓練に従事。その間の3ヵ月、エセックスは空母キアサージや、エセックスに続いて再就役したヨークタウン、ホーネット、ミッドウェイ級航空母艦一番艦のミッドウェイなどの第7艦隊と行動をともにし、1955年2月の大陳島撤退作戦への支援および、沖縄沖での艦隊行動に従事した。。1955年7月、極東水域での行動を終えたエセックスは本国に帰投し、ピュージェット・サウンド海軍造船所に入渠して修理と大改修工事（SCB-125改修）が行われた。近代化計画として行われたこの大改修は、ジェット機運用のためのアングルド・デッキ設置と後部エレベーターの再配置を主として行われた。工事終了後の1956年3月、エセックスは太平洋艦隊に編入され、14ヵ月もの間を西海岸水域で行動した後、第7艦隊で行動した6ヵ月間を除いたほとんどの期間を大西洋艦隊で行動することとなった。エセックスは1957年8月21日にサンディエゴを出港し、ホーン岬を巡って8月1日にメイポート海軍補給基地に到着した。