De son vrai nom Yukie Yamamura, l'actrice commence sa carrière à l'âge de 14 ans lorsqu'un agent artistique repère son talent pour la comédie. Son nom de scène lui vient du personnage principal du manga de Junko Kawakami, "Golden Delicious Apple Sherbet". Elle débute réellement sur le grand écran en 2000 avec le film Battle Royal, de Kinji Fukasaku, où elle joue aux côtés de Takeshi Kitano.

Sa carrière décolle vite et elle devient une actrice célèbre non seulement au Japon mais dans toute l'Asie. Elle rafle plusieurs prix l'année suivante, grâce à sa prestation dans Go, de Isao Yukisada (elle rejouera par la suite pour le réalisateur, dans "Crying Out Love in the Center of the World" en 2004) et se fait connaître d'un plus large public en apparaissant dans divers drama et séries asiatiques comme "Let's go Nagatcho". Elle commence en 2002 en parallèle de se son travail d'actrice une carrière de chanteuse. Son premier album est un immense succès au Japon et nombre de ses chansons sont utilisées dans des dramas, séries et publicités locales.

2005 marque un tournant dans son parcours : Shibasaki prend plus à coeur sa carrière de comédienne. Elle joue alors dans des films indépendants comme La maison de Himiko, de Isshin Inudô, puis en 2007 dans Dororo, d'Akihiko Shiota, film qui fit sensation au Japon. Elle continue malgré tout en plus à faire de la musique, même si ses albums suivants n'atteindront jamais le succès du premier.

Elle revient aux rôles de séries télévisées en 2011 alors qu'elle enchaînait les long-métrages depuis 2005. Elle apparaît notamment dans Gaikôkan Kuroda Kôsaku et dans "Garireo" en plus de ses nombreuses apparitions dans des shows télévisés. Elle commence à se faire un nom en Occident : Tarantino la voulait pour jouer Go Go dans Kill Bill vol.1 mais suite à un emploi du temps trop chargé, la jeune fille n'avait pu accepter le rôle et retarde son entrée sur la scène internationale. Elle fait ses débuts dans un film occidental avec 47 Ronin, de Carl Rinsch, auprès de Keanu Reeves et Hiroyuki Sanada et est également attendue en 2014 dans "Kuime", de Takashi Miike.

Kô Shibasaki se consacre ensuite presque exclusivement au petit écran, comme en témoignent ses prestations dans les séries japonaises Onna joushu Naotora, 35sai no Shojo, Nobunaga Concerto ou encore Invisible. En 2024, elle double l'un des personnages du Garçon et le Héron de Miyazaki. Deux ans plus tard, elle campe une énigmatique psychiatre japonaise dans le thriller La Voie du serpent, aux côtés de Damien Bonnard et Mathieu Amalric.