1963年、オール東宝ニュータレント第4期生に合格。1964年4月に東宝と契約し、『日本一のホラ吹き男』のラストに主役の植木等が歌う場面に登場する妾たちの一人として映画デビュー。同年の『天才詐欺師物語 狸の花道』で役名のついた役での映画本格出演となる。翌1965年の『海の若大将』では、加山雄三扮する若大将と仲良くなる網元の孫娘役として星由里子扮するヒロイン澄子が嫉妬する恋敵を演じた。加山とは、1966年の『何処へ』や『お嫁においで』でも共演するが、加山雄三の大ヒット曲をモチーフに作られた『お嫁においで』ではヒロイン役に抜擢され、サンゴの指輪をはめて浜辺を水着姿で加山と歩くシーンで美しい肢体を披露した。同作は加山雄三の主演作であり、加山の歌う数々のヒット曲が全編を覆っているが、松山善三脚本による物語の実質的な主人公は、沢井の演ずるホテルのレストラン従業員である露木晶子であった。東宝映画では、青春映画・サラリーマン映画・怪獣映画と娯楽映画を中心に出演した。映画界の斜陽により1970年に東宝を退社し、以後はテレビを中心に活躍する。1968年10月の映画プロデューサー・田中寿一との結婚後も女優活動は続けていたが、子育てもあり1970年代半ば頃よりテレビ出演も少なくなる。近年は舞台を中心に活躍している。
2010年から2013年までスポーツ新聞社にアルバイトスタッフとして勤務した。その傍ら、編集プロダクションで週刊SPA、週刊プレイボーイ、メンズナックルのライターを担当した。2013年、坂元裕二や野島伸司らを輩出したフジテレビヤングシナリオ大賞で史上初めて大賞・佳作を同時受賞した。同大賞受賞作「人生ごっこ」で脚本家デビューした。
2004年1月、舞台『DREAM BOYS』で舞台に初出演する。2009年7月、舞台『PLAYZONE'09 〜太陽からの手紙〜』で初の舞台主演となる。同月、映画『ごくせん THE MOVIE』で初の映画出演をした。2011年2月12日、同年夏にKis-My-Ft2としてCDデビューすることがコンサート『Kis-My-Ftに逢えるde Show vol.3 at国立代々木競技場第一体育館』中に発表された。同年7月よりTBS系『美男ですね』で初めてのドラマ主演となる。8月10日、Kis-My-Ft2のファーストシングル『Everybody Go』でCDデビューを果たす。10月5日、TBS系ドラマ『美男ですね』の劇中バンド「A.N.JELL」として『A.N.JELL WITH TBS系金曜ドラマ『美男ですね』MUSIC COLLECTION』をリリースした。2012年6月、テレビ朝日系『いきなり!黄金伝説。1ヶ月1万円節約生活』に出演し見事優勝を果たす。同年12月、『いきなり!黄金伝説。2012年末芸能人サバイバル大賞 6時間スペシャル』に出演。2013年1月、テレビ朝日系ドラマ『信長のシェフ』で初の単独主演を務める。同年7月、TBS系『ぴんとこな』でゴールデンタイム初の単独主演を務める。2014年4月、フジテレビ系『世にも奇妙な物語』内で放送された「ニートな彼とキュートな彼女」に主演する。同年7月、前年に主演を務めたドラマ『信長のシェフ』の2期が開始される。2015年8月、フジテレビ系『ほんとにあった怖い話』内の「どこまでも憑いてくる」で主演、同年10月、日本テレビ系『青春探偵ハルヤ〜大人の悪を許さない!〜』で主演を務める。11月、映画『レインツリーの国』で映画の初主演を務める。
はやぶさによるイトカワ探査の中で、レーザー高度計などを用いて4つの方法でイトカワの質量が計測された。それぞれの結果は誤差の範囲内で一致し、イトカワの質量は(3.510 ± 0.105)×10¹⁰ kgと推定された。一方、イトカワの体積は2つのグループが算定した結果、0.0184 ± 0.00092 km³と推定され、その結果イトカワの密度は1.90 ± 0.13 g/cm³と推定された。イトカワを構成すると考えられているLLコンドライトの密度は約3.19 g/cm³であるため、イトカワ内部には約40パーセントの空隙が存在することが想定された。空隙率約40パーセントというのは、同じくらいの大きさの石を箱に詰めた際の空隙率に近似しており、イトカワは瓦礫が集まって重力で緩く結合したラブルパイル天体であることが示唆された。また大阪大学のグループによるイトカワ微粒子の分析結果などから、イトカワ微粒子はLL4、LL5、LL6という普通コンドライトであり、密度は約3.4 g/cm³であることが明らかになっており、この結果からもイトカワはラブルパイル天体であるという説が支持される。イトカワがラブルパイル天体であるという証拠は密度ばかりではなく、イトカワに見られる最大の岩塊である通称ヨシノダイが、イトカワ上での最大のクレーター形成時にできる岩塊を大きく上回る大きさであること、イトカワは頭部と胴体がくっついたラッコのような形をしているが、これはイトカワ全体が岩塊が集まることによって形成されたことを示すものと考えられること、またイトカワ表面には衝突時の熱によって溶結した角礫岩と考えられる岩塊が多数見られるが、イトカワの大きさでは角礫岩ができるほど激しい衝突は発生しないことなども挙げられる。またイトカワ微粒子は数百度の熱によって変成を受けた普通コンドライトのLL5、LL6と同様のタイプのものが見られる分析結果からは、直径20キロ前後の母天体が激しい衝突によって破壊された後、その瓦礫が再結合することによってラブルパイル天体であるイトカワが生まれたものと考えられる。