2003年，因参演富士台漫改剧《国光之政》而出道 。
戛纳称帝
2005年，主演改编于真实事件的剧情片《星星少年》，饰演少年驯象师小川哲梦 。2006年，主演改编自山田咏美同名小说的青春爱情片《蜜糖与调味：风味绝佳》，饰演在加油站工作的山下志郎 。2007年，为动画电影《天才嘉年华》中渡边信一郎执导的「BABYBLUE」单元配音 。
2008年9月，主演堤幸彦执导的喜剧片《绷带俱乐部》，饰演建立“绷带俱乐部”，为有伤痛的人进行疗伤的少年迪诺（井出埜辰耶）；同年，出版小说《不停止的雨》 。2009年，主演清水崇执导的恐怖片《战栗迷宫3D》 。
2010年1月，主演根据山田茜同名小说改编的爱情片《一切化作海》，饰演生长在不幸家庭中的17岁少年大高光治 。同年9月，主演推理剧《TOKYO23生存城市》，饰演梦想成为格斗家的青年新井升 。
2011年，主演手机剧《交错的9个杀意》，饰演登山队员崎谷真人 。在推理剧《LADY~最后的犯罪心理分析官~》中饰演IQ140的高智商死囚巽聪史 。
2013年，主演剧情片《能不能原谅你，我想想看》，饰演从事回收废纸业的18岁青年野口隆太郎 。在李相日执导的动作片《不可饶恕》中饰演为了丰厚奖金投身战争的泽田五郎 。在日向寺太郎执导的剧情片《长崎的天空下》中饰演暗恋女主角的广濑勇一 。
2014年，主演福田雄一执导的深夜剧《青色火焰》，饰演原型为岛本和彦的漫画家焰燃 。主演根据中村文则同名小说改编的推理电影《最后一命》，饰演年幼时期被卷入一场悲惨事件的明濑桂人[23-24] 。在丰田利晃执导的漫改动作片《热血高校3》中饰演铃兰之王强罗彻[25-26] 。在改编自真锅昌平同名漫画的剧情片《暗金丑岛君2》中饰演苦力工人虾沼 。在穿越历史剧《信长协奏曲》中饰演织田信长的弟弟织田信行 。
2015年，主演根据杉浦日向子同名漫画改编的动作片《合葬》，饰演加入德川庆喜护卫队的秋津极，该片入围第39届蒙特利尔国际电影节主竞赛单元[29-30] 。在医疗剧《纯白》中饰演外科医生仲野孝太郎 。在NHK晨间剧《希》中饰演中国料理店老板的儿子池畑大辅 。参演漫改电影《变态假面：变态危机》 。
2017年，在伦理剧《妈妈，不当你的女儿可以吗？》中饰演建筑公司职员松岛太一。在爱情剧《弗兰肯斯坦之恋》中饰演与怪物结下深厚友谊的大学生稻庭圣哉 。在NHK大河剧《女城主直虎》中饰演盗贼团伙头目龙云丸 。在《银魂》真人版电影和衍生剧《银魂-三叶篇-》中饰演真选组副长土方十四郎 。出演《宽松世代又如何SP：纯米吟酿纯情篇》与系列番外网络剧《我是山岸有何贵干》 。
2018年，在漫改电影《银魂2：规矩是为了被打破而存在的》中继续饰演土方十四郎 。在漫改电影《响~成为小说家的方法~》中饰演田中康平 。在时代电影《椿花散落》中饰演平山十五郎 。客串漫改喜剧《我是大哥大》 。
2019年，主演剧情片《黎明》，饰演在水边倒下的、有着不为人知过往的青年进一 。参演校园热血电影《别哭啊赤鬼》 。参演漫改电影《杀手寓言》 。
2019年，柳乐优弥出演《北斋》中青年的葛饰北斋，该片计划于葛饰北斋诞辰260周年的2020年上映。
2020年，真人电影《浪客剑心》夏季推出两部最终章续作，柳乐优弥加盟 。出演电影《我是大哥大！！剧场版》 。7月，原定主演电视剧《二月的胜者─绝对合格教室─》 ，因新冠疫情延期至2021年拍摄播出。
2021年，主演根据北野武原创的歌曲及自传翻拍成的电影《浅草小子》 。10月，主演电视剧《二月的胜者─绝对合格教室─》播出 。
兴趣爱好
自杀事件
2008年8月29日清晨2时30分左右柳乐优弥在住处吞药自杀，被家人发现紧急送医院抢救。一度情况危急，幸而最终脱离危险 。
婚姻家庭
2009年12月1日，柳乐优弥宣布将与交往4年的女友、日英混血模特丰田爱丽结婚。2010年1月15日下午，柳乐优弥与丰田爱丽在东京的明治神宫举行了婚礼 。10月13号下午三点一刻，女儿出生 。
柳乐优弥的年龄和经验的缺乏使我们怀疑他是否能得到最佳男演员的称号，但是显然戛纳的评委还是最有眼光的 （新浪娱乐评）。从脸部表情就能看出坚强的意志，柳乐优弥的脸与其说是偶像，倒不如说是一个真正的演员更为适合 （富士电视台局长龟山千广评）。
