生于东京。小学五年级时开始登台表演，14岁时参加了电视剧《来无影去无踪的侦探》的演出。1960年与浜田光夫联合主演了影片《玻璃中的少女》，随后二人多次搭档演出了多部青春片，成为日本20世纪60年代前期一对银幕上的青春偶像。其主演的影片可分为两类：一类是《黑暗中的口哨声》《我不死》《不断斗争的人》等动作片；另一类是《花、少女和白色的路》《他与我》《割草姑娘》等青春片。她扮演的角色大多是纯真热情的平民姑娘，有“庶民女星”之称。

1962年，因主演《化铁炉的街》获第13届日本电影蓝丝带奖最佳女主角奖和日本广播协会电影奖的最佳新人奖。之后4年里又主演了《消失在雨中》《你好，二十岁》《悲伤的离歌》《伊豆的舞女》《归乡》等青春片。1969年自早稻田大学毕业后，主要参加电视剧的演出。1973年以后，在《青春之门》《皇帝不在的八月》《冲动杀人，儿子啊》《动乱》《海峡》《阿范》《天国车站》等影片中扮演重要角色。1985年和1987年分别主演了《梦千代日记》和《电影女演员》。

她的表演生机勃勃，充满活力，显示了深厚的功力和广阔的戏路。20世纪90年代后的作品有《外科病房》（1992）、《天国大罪》（1992）、《阵雨的记录》（1998）、《千年之恋》（2001）、《北之零年》（2005）等。2014年，主演剧情片《不可思议的海岸物语》并担任该片制片人，获第38届加拿大蒙特利尔国际电影节评委会大奖。吉永小百合于2006年获得紫绶褒章，2010年获选为文化功劳者。