2007年初，担任代言第85届日本全国高校足球赛的应援经理，应援经理的代言是由84届开始。3月22日，推出第二本写真集《まっしろ（纯白）》，和第一本写真集的南国冲绳阳光沙滩风格完全相反，是以北国函馆雪景与温泉的背景来拍摄的。2007年夏、秋陆续上映新垣结衣的3部电影《恋するマドリ》《ワルボロ》《恋空》，期间同时演出电视剧《父女7日变》。随著首部电影《恋するマドリ》上映，同时担任主题曲《追忆（メモリーズ）》的演唱者，之后又演唱《恋空》的插曲《Heavenly Days》。2007年末发表个人音乐专辑《そら》（《天空》），并参与专辑（初回版）封面设计与作词。12月5日，专辑《そら》正式发行后与School of Locks合作在12月21日于日本武道馆举办歌手出道活动。2007年末，新垣结衣于第58届NHK红白歌唱大赛担任审查来宾，也担任睽违红白16年的槙原敬之演唱歌曲《GREEN DAYS》时的介绍者。
2008年初，新垣结衣随着电影走红，并接连获得电影新人奖得主，唱片、戏剧也有不错的成绩。因《恋空》等电影接连获得电影新人奖得主。同年，与山下智久、户田惠梨香等共演《Code Blue直升机紧急救治》，是继2005年的《龙樱》后再次与山下智久共演。10月11日，与内藤刚志、柄本时生等主演的电影《应援少女》首映。个人首张单曲《Make my day》在公信榜拿下亚军，而日本告示牌排行榜更登上冠军。
2010年初，新垣结衣与山下智久、户田惠梨香等共演《Code Blue直升机紧急救治第二季》，也是她首次有作品拍摄续集。年中，与生田斗真拍摄电影《花水木》，其间新垣结衣到加拿大、纽约等地取境。为配合电影而推出书籍《The Three Little Pigs》，此书籍是由新垣结衣亲自绘画。8月21日，主演的电影《花水木》在日本上映。同年推出的第三张专辑《虹》，当中收录了自己主演的电影《花水木》的主题曲，其中两首歌是新垣结衣亲自填词。
2013年3月11日，日本通网站报道，ORICON STYLE每年惯例的由异性评选的《想和TA谈恋爱的男/女艺人》榜之“女星榜”新鲜出炉，新垣结衣重回榜首。10月9日，新垣结衣与堺雅人、里见浩太朗主演《legal high 2》在富士台开播，首集平均收视率关东地区21.2%，关西23.1%。这一收视成绩相对该系列第一部首集12.2%的成绩有了很大幅度的提升，同时也超越了松岛菜菜子主演的《家政妇三田》19.5%的首集收视率。。
