松岛菜菜子从高一时开始担任模特，后来活跃于广告和ViVi杂志中，之后因为某品牌广告而受到关注。
1992年，松岛菜菜子出演了电视剧《社长若大将》，由此开始了她的演员生涯。1993年，出演了由高桥由美子主演的爱情剧《老师情人》。
1996年，在NHK电视剧《向日葵》中，松岛菜菜子从2011人的试演会中脱颖而出，首次担纲女主角；9月2日，与大泽隆夫、渡边哲、周海媚等共同主演的电视剧《深夜特急》播出。
1997年2月15日，搭档长冢京三主演的爱情电影《恋爱、花火、摩天轮》上映；7月3日，与真田广之、玉置浩二领衔主演的爱情剧《恋恋情深》首播，松岛菜菜子饰演担任橱窗设计工作的“香织”。
1998年1月31日，与真田广之、中谷美纪、竹内结子等联袂出演的恐怖电影《午夜凶铃》上映，松岛菜菜子在片中饰演调查来历不明录像带真相的女记者“浅川玲子”，由此获得了第22届日本电影学院奖最佳女主角提名；7月7日，与反町隆史领衔主演的校园励志剧《麻辣教师GTO》开播，该剧平均收视率达28.5%，松岛菜菜子在剧中饰演很受学生欢迎的英语教师“冬月梓”；7月31日，搭档椎名桔平主演的爱情剧《甜蜜的季节》在日本首播，松岛菜菜子饰演陷入不伦恋情的“藤谷真寻”。
1999年1月5日，与江口洋介领衔主演的医疗剧《救命病栋24小时》在日本首播，松岛菜菜子饰演东京都中央医院急救中心非常优秀的医师“小岛枫”；1月23日，参演的恐怖电影《午夜凶铃2之贞子缠身》上映；4月8日，搭档泷泽秀明主演的爱情剧《魔女的条件》在日本首播，松岛菜菜子饰演与学生相恋的女教师“广濑未知”；6月29日，主演的校园励志剧《麻辣教师GTO特别篇》播出；10月11日，与竹野内丰、仲村亨、内田有纪共同主演的爱情悬疑剧《冰之世界》播出，松岛菜菜子饰演拥有冷静、决不外露感情的妖娇魅力的地理老师“江木塔子”，凭借该角色获得了第23届日剧学院赏最佳女主角奖。
2000年8月19日，与织田裕二、佐藤浩市、石黑贤等联袂出演的动作电影《雪茫危机》上映，松岛菜菜子凭借该片获得了第24届日本电影学院奖最佳女主角提名；8月28日，领衔主演的爱情剧《百年物语》播出，松岛菜菜子在剧中一人饰演祖孙三代；10月9日，与堤真一、矢田亚希子、笕利夫等联合主演的爱情剧《大和拜金女》首播，松岛菜菜子饰演由于从小家境贫寒，而在思想上认定“世界上最重要的就是金钱”的空姐“神野樱子”，凭借该角色获得了第27届日剧学院赏最佳女主角奖。
2002年1月6日，搭档唐泽寿明主演的古装剧《利家与松》在日本首播，松岛菜菜子在剧中饰演“战国三夫人”之一的“阿松”。
2003年，与福山雅治、渡边一计、八岛智人主演了由西谷弘执导的电视剧《美女或野兽》，松岛菜菜子扮演31岁的超级女强人“鹰宫真”，由此获得了第36届日剧学院赏最佳女主角奖。
2005年1月4日，主演的医疗剧番外篇《救命病栋24小时新春特别篇2005》播出；1月11日，主演的医疗剧《救命病栋24小时3》首播，该剧最高收视率达21.4%；10月21日，由石井康晴执导，井上真央、松本润、小栗旬等人主演的偶像剧《花样男子》开播，松岛菜菜子在剧中饰演道明寺司热情又严厉的姐姐“道明寺椿”；11月1日，与石田法嗣、佐佐木麻绪合作主演的特别剧《萤火虫之墓》播出。
2006年1月3日，与田村正和、西村雅彦共同出演的侦探剧《古畑任三郎之复苏之死》首播；1月5日，出演的侦探剧《古畑任三郎完结篇之最后的舞蹈》播出；12月16日，与石坂浩二、尾上菊之助联合主演的悬疑电影《犬神家族》上映，松岛菜菜子饰演幼失怙恃、一直寄居在犬神家的“野野宫珠世”。
2007年1月5日，出演的偶像剧《花样男子2》播出；5月12日，与大泽隆夫、宫本信子领衔主演的剧情片《眉山》上映，松岛菜菜子饰演因身世问题而与母亲心生隔阂的职场女性“河野咲子”。
2009年7月14日，与木村多江、八岛智人、须藤理彩等共同出演的医疗剧《救命病栋24小时SP》开播；8月11日，主演的医疗剧《救命病栋24小时4》播出。
2010年1月3日，主演的医疗剧《救命病栋24小时：2010特别篇》播出；11月13日，搭档宋承宪主演的奇幻爱情电影《人鬼情未了》上映，松岛菜菜子在片中饰演因意外而殒命的实业家“星野七海”。
2011年1月22日，与大森南朋、北乃绮、中尾彬联合主演的喜剧电影《狗狗与你的故事》上映；10月12日，领衔主演的家庭剧《家政妇三田》首播，松岛菜菜子在剧中饰演家务活样样精通并且能做到完美的保姆“三田灯”，该剧最终话收视率达40.0%，松岛菜菜子凭借该剧获得了第71届日剧学院赏最佳女主角奖。
2012年，与松本润、瑛太、大泉洋等人主演了青春偶像剧《幸运七人组》，松岛菜菜子饰演聪明、有决策力和胆量的强悍女性“藤崎瞳子”。
2013年1月3日，主演的青春偶像剧《幸运七人组特别篇》首播；4月26日，与大泽隆夫、藤原龙也共同主演的动作电影《稻草之盾》上映，松岛菜菜子饰演性格似男人的警察“白岩笃子”；7月9日，主演的医疗剧《救命病栋24小时第五季》播出。
2014年7月19日，参与配音的电影动画《回忆中的玛妮》在日本上映，松岛菜菜子在片中为安娜的养母“佐佐木赖子”配音。
2015年1月11日，与野村万斋、二宫和也、杏等联袂出演的推理悬疑剧《东方快车谋杀案》开播，松岛菜菜子扮演做事谨慎有逻辑的“马场舞子”；8月1日，与西岛秀俊、高梨临、柴本幸等联合主演的特别剧《红十字~女人们的入伍通知单~》播出，松岛菜菜子出演为了女性的独立和为国献身而决定成为随军护士的“天野希代”。
2016年7月21日，松岛菜菜子领衔主演的女性题材职场剧《营业部长吉良奈津子》首播，她在剧中饰演结婚生子三年后重返职场的“吉良奈津子”；10月14日，搭档菅野美穗主演的悬疑剧《砂之塔~知道太多事的邻居》播出，松岛菜菜子饰演美丽、气质高雅，却有着不为人知秘密的“佐佐木弓子”。
2017年，领衔主演了由西浦正记执导的特别剧《女人的勋章》，松岛菜菜子在剧中饰演为了实现自己的理想，开办圣和服饰学院教授裁缝的“大庭式子”。
2018年1月14日，与织田裕二、岸谷五朗共同出演的电视剧《监查役野崎修平》播出，松岛菜菜子在剧中饰演充满野心的精英银行员工“立川祥子”；1月27日，与阿部宽、沟端淳平、田中丽奈等合作主演的剧情片《祈祷落幕时》上映。主演特别剧《诱拐法庭~七天~》。
2020年1月，与大泽隆夫合作出演的电影《AI崩坏》上映，松岛菜菜子在片中饰演主人公桐生的妻子桐生望，与丈夫一起进行划时代的AI研究，却因为患病年纪轻轻离世，她坚强的意志和信念对桐生的生存方式有很大影响，是一位重要角色。