Свою карьеру Коюки начала в 1995 году в качестве модели, выиграв позднее конкурс журнала Non-No. Впоследствии снималась для печатных изданий и телевизионной рекламы. Вскоре последовали и первые маленькие второстепенные роли в сериалах, которые сейчас и найти уже почти невозможно. Примерно в то же время она стала «лицом» компании Panasonic на различных презентациях и на телевидении. Настоящая известность пришла к ней в 2001 году, когда она сыграла одну из главных ролей в мистической картине «Пульс», повествующей о сосуществовании мира людей и мира призраков. Данный фильм был снят Киёси Куросавой со всей традиционной для его лент гнетущей и депрессивной атмосферой. Сцена в конце фильма, когда героиня Коюки снимает с головы полиэтиленовый пакет и пускает себе пулю в лоб стала едва ли не таким же символом японских ужасов и мистики, как девочка Садако, вылезающая из колодца.
После этой знаковой роли Коюки снялась сразу в двух фильмах подряд: «Прачечная» и «Смертник» и если во второй у нее была отнюдь не главная роль, то «Прачечная», напротив, стала первой картиной где она играла ведущую женскую роль. Этот добрый и переполненный светлой грустью фильм, о том, как два не совсем нормальных одиночества нашли друг друга и, каждый со своими, недостатками пытается приспособиться к жизни в этом жестоком мире.
В 2003 году актриса снялась в шпионском экшне «Шпион Зорге», который, однако, полностью ушел в тень на фоне громкого международного проекта – «Последний Самурай» с Томом Крузом, в котором Коюки также досталась главная женская роль девушки по имени Така, чьего мужа герой Круза убивает в самом начале фильма. Благодаря этой роли у Коюки появилась возможность стать известной на Западе, но она ей по каким-то причинам пока не воспользовалась, может и к лучшему. На данный момент это ее единственная «международная» роль. В том же году она снялась вместе с Джуном Мацумото в оригинальном и веселом сериале «Мой любимец», в своем классическом амплуа вечно сомневающейся девушки с сигаретой.
Ну, а далее, Коюки стала той актрисой, которой она является сегодня – известной, профессиональной и неповторимой, породив своим творчеством одно простое правило – не сниматься в «средненьких» и «проходных» картинах. Из ее последних работ можно отметить очень трогательную и красивую драму «Всегда: Закат на Третьей Авеню», фильм о жизни послевоенного Токио, всех бедах и радостях нескольких самых обычных семей, которым выпала доля жить в эпоху перемен.
1 апреля 2011 года Коюки вышла замуж за Кеничи Матсуяма, 8 января 2012 у них родился сын. А в январе 2013 в Южной Корее актриса родила дочь.