刚上初一时，市川由衣在东京原宿街头被星探发现。随后，她参加了日本游戏公司南梦宫于1999年春举办的“SuperBigAudition”选秀活动，并获得了冠军

2000年底，市川由衣以泳装模特身份出道。2001年6月，发行个人首本写真集；7月5日，与宫本麻弥、浅香友纪等人共同主演的格斗娱乐剧《涩谷系女子搏击选手》首播，由此进入演艺圈。

2002年，在其事务所主办的“演员修行”活动中首次演出舞台剧；4月，被富士电视台的“富士电视台视觉女王”选中；4月17日，热血励志校园剧《极道鲜师》播出，市川由衣在第七集出场，饰演泽田慎的妹妹“泽田夏美”；10月17日，与原沙知绘、伊东美咲共同出演的喜剧《辣妹逮捕令》开播，市川由衣在剧中饰演小桥汽车社长小桥勇次之女，高中生“小桥由佳”。

2003年，从原经纪公司移籍至研音；1月25日，出演的恐怖电影《咒怨》上映，市川由衣饰演进入诅咒之家而被伽椰子杀死的“千春”，这是其首次参演电影；4月10日，与反町隆史、小西真奈美等联袂出演的家庭剧《热血男儿》首播；8月23，参演的恐怖电影《咒怨2》上映；10月10日，与竹野内丰、市原隼人、永井大等合作出演的校园励志剧《不良少年回母校》播出，市川由衣饰演3年C组因怀孕而退学的“远田雪”；11月12日，市川由衣发行单曲《雨》，该曲目翻唱自森高千里的同名歌曲，由此歌手出道；11月29日，参演的爱情迷你剧《流转的王妃，最后的皇弟》开播，市川由衣饰演末代皇弟溥杰的女儿“爱新觉罗·嫮生”。

2004年2月14日，市川由衣出演的喜剧电影《斑马人》上映，她在片中饰演市川家长女“市川绿”；4月3日，与天海佑希、石原里美共同主演的电视剧《天国的应援歌》播出，市川由衣饰演森田美贵子最好的朋友“白石千秋”；10月7日，参演的家庭剧《热血男儿2》首播。

2005年1月13日，与山田孝之、石原里美、田中幸太郎等联袂出演的体育剧《H2》开播，市川由衣饰演沉着冷静的大姐姐型女孩“雨宫雅玲”；3月19日，恐怖电影《继续活下去的五个故事》上映，市川由衣主演“七个房间”单元；7月21日，与阵内孝则、室井滋、冢本高史联合出演的电视剧《菊次郎和早纪2》播出，市川由衣饰演北野家长女“北野安子”；12月10日，与森山未来等人合作出演的喜剧电影《校园恍神》上映。

2006年1月15日，与竹野内丰、崔智友、李贞贤等共同出演的爱情剧《轮舞曲》开播，市川由衣饰演心思细密、足智多谋的黑手党“神狗”大小姐“风间琴美”；2月11日，领衔主演的恐怖电影《死魂曲》上映，她饰演身处漩涡中心的女主角“天本由贵”；4月14日，与山下智久、堀北真希、山崎努等联袂出演的犯罪剧《欺诈猎人》播出，市川由衣扮演性格开朗天真的“三岛由佳利”；5月18日，与草彅刚、广末凉子等一同出演的爱情剧《凝视爱与死》首播，市川由衣饰演女主角大岛智子的妹妹“大岛比佐子”；8月22日，与长谷川京子、成海璃子共同主演的战争电影《最后的南丁格尔》上映，她在片中饰演在“为国尽忠”的美名下被半强制赶上了战场的“平良安子”；8月26日，与长泽雅美、速水直道、阿部力联合出演的爱情电影《我爱芳邻》上映；12月，与中岛美嘉、玉山铁二、姜畅雄等联袂主演的爱情电影《NANA2》上映，市川由衣扮演与女主角大崎娜娜名字相仿、性格迥异的20岁女孩“小松奈奈”。

2007年6月30日，与速水重道、山本太郎合作出演的特别剧《动物119》播出，市川由衣饰演经由仲代光也救助流浪猫事件而留在“动物119”的“小山成美”；7月3日，出演的侦探推理剧《侦探学园Q》开播；7月27日，参演的喜剧《寿司王子》首播；12月3日，与田中好子、益冈彻、须贺健太等共同出演的家庭剧《彗星物语》播出。

2008年1月18日，与中越典子、加藤夏希、夏帆联袂主演的推理剧《四姐妹侦探团》首播，市川由衣扮演佐佐本家的三女儿，非常重视金钱的现实主义者“佐佐本珠美”；1月26日，与池肋千鹤领衔主演的剧情片《音符与海带》上映，市川由衣饰演有着记不住气味毛病的料理调配师“小暮桃”；3月8日，主演的犯罪电影《诈欺猎人》上映；8月9日，与斋藤嘉树、中村苍联合出演的体育电影《一百零八》上映；8月25日，日本电视台成立55周年纪念剧《雾之火》开播，市川由衣在剧中饰演真冈邮电局电话接线员“中岛樱”。

2009年1月24日，与中丸雄一、增田贵久、山本裕典共同出演的励志剧《RESCUE～特别高度救助队》播出，市川由衣饰演都筑消防署急救队队员“前园葵”；4月23日，出演的电视剧《lovegame》首播，市川由衣在剧中饰演保育所保育士“夏川美优”；10月18日，与高桥克典、高岛政宏、麻生祐未等一同出演的电视剧《隐蔽指令》开播，市川由衣饰演银座俱乐部议员的情人“宇部木幸子”；10月9日，客串出演的家庭剧《我的乖乖女》首播。

2010年1月17日，参演的法律剧《不平则鸣2》开播；1月31日，与田中美佐子、金田明夫联袂出演的电视剧《绝不屈服》播出；9月4日，领衔主演的时代剧《桂千鹤诊察日记》首播，市川由衣饰演专为狱中女囚治病的牢医“桂千鹤”；11月21日，与深田恭子、冢本高史、柴田恭兵等联合出演的悬疑推理《幻夜》首播，市川由衣扮演暗恋男主角雅也的“冈田有子”。

2011年1月7日，客串出演的悬疑推理剧《LADY~最后的犯罪心理分析官~》播出；4月19日，与李弘基领衔主演的励志剧《肌肉女孩》开播，市川由衣饰演从父亲那里接过衣钵、使得原本资金难以得到周转的女子摔跤团体重振声威的年轻女社长“白鸟梓”；7月6日，参演的医疗剧《暴走医生》首播；12月3日，与松雪泰子、宫田由美子、泽村一树等共同出演的电视剧《境遇》播出；12月24日，与泽村一树、森宽和、北村有起哉等联合出演的推理剧《警视厅失踪人搜查课SP》开播。

2012年4月20日，与竹野内丰、和久井映见、山本裕典等一同出演的爱情剧《再一次向你求婚》播出，市川由衣饰演谷村裕树的恋人“增山志乃”；6月23日，与泽村一树、羽田美智子、佐野史郎等合作出演的悬疑剧《波之塔》首播，市川由衣饰演建设省外渉部局长田泽隆义之女“田泽轮香子”；7月8日，与向井理、尾野真千子等联合出演的医疗剧《SummerRescue～天空的诊所》开播，市川由衣扮演男主角圭吾的未婚妻，泽口教授的女儿“泽口光香”；10月10日，与武井咲、三浦翔平、比嘉爱未联袂出演的喜剧《东京全力少女》播出，市川由衣在剧中饰演“文艺复兴”体育俱乐部的教练“奥野冬”。

2013年3月9日，出演的剧情片《初夜和莲根》上映；4月11日，与筱原凉子、三浦春马、藤木直人共同出演的爱情喜剧《最后的灰姑娘》首播，市川由衣在剧中扮演广斗的前女友“桃”；4月12日，客串出演的推理剧《天气姐姐》播出；4月18日，参演的推理剧《潜入侦探蜥蜴》开播；10月，客串出演的刑侦喜剧《都市传说之女第二季》播出。

2014年1月5日，出演的大河剧《军师官兵卫》首播；7月1日，与千叶真一、小泉孝太郎等一同出演的职场剧《过气TV》开播，市川由衣饰演新人经理“蒲田律”；7月18日，出演的喜剧《青色火焰》播出，市川由衣在剧中扮演在指定汽车讲习所上学期间与焰相识的同龄女“岩濑顺”；8月30日，与铃木亮平、佐藤隆太、大东骏介等联袂出演的动作喜剧片《东京暴走族》上映；9月13日，与池松壮亮领衔主演的爱情电影《感受大海的时刻》上映，市川由衣在片中饰演对初次接吻后说出“绝对不会喜欢你”的高中学长阿洋追着不放的“中泽惠美子”；11月22日，与斋藤工、满岛真之介联合出演的电视剧《深色西服》首播，市川由衣饰演重建项目组知识产权部的“高根泽志樱里”。

2015年3月7日，与关惠美、角田信朗、藤原薰共同主演的爱情电影《迷宫咖啡厅》上映，市川由衣饰演因逃婚而来到咖啡厅的“飞鸟”；4月30日，参演的刑事剧《京都人情搜查档案》开播，市川由衣在第四集出场，饰演叶山的未婚妻“仓泽明”；7月16日，与福士诚治、南泽奈央、桐山涟合作出演的古装剧《真真事~麻之助裁定帐~》播出；7月20日，与福士苍汰、本田翼、野村周平等联合出演的爱情剧《恋仲》首播，市川由衣在剧中扮演男主角葵的前女友，住宅公司优秀的业务员“冴木瑠衣子”；8月4日，与片濑那奈、渡边绘理一同出演的喜剧《女人之路》播出，市川由衣饰演女主角山口梨花的好友“竹内晶子”。

2016年1月15日，由吉田钢太郎领衔主演的情感剧《东京伤情故事》首播，市川由衣在第2集中出场，饰演夜店小姐“明美”；7月18日，市川由衣与藤冈靛、和田正人联袂出演的NHK特别剧《喧闹的街、寂静的海》开播，她在剧中饰演主角水无月进已经去世的母亲“岸部幸子”。

2017年2月18日，与妻夫木聪、满岛光等共同出演的悬疑犯罪电影《愚行录》上映，市川由衣饰演受害者田向浩树大学时代交往的恋人“稻村惠美”。

2014年，市川由衣与比他大12岁的演员户次重幸因拍摄电视剧《过气TV》而相识相恋。2015年9月8日，两人正式入籍结婚。

2016年4月，市川由衣宣布自己已经怀孕5个月；9月26日，与丈夫户次重幸通过事务所联名公布了已顺利产子的消息。

市川由衣面容姣好，身材火辣。是一个活泼、开朗、温和又很温柔的女孩儿。从写真偶像出道，参演过不少戏剧、电影，包括《轮舞曲》、《咒怨》等作品，逐步转型为演技派的市川由衣。是一名非常优秀的女演员，她拥有少女般的纯情与母亲般的温暖，是一位非常接地气的女演员。性感的市川由衣在为某时尚杂志拍摄SEX特辑时，全裸上镜，大秀裸体之美。