Hirose memulakan kerjaya sebagai model untuk majalah fesyen Jepun Seventeen, bersama kakaknya Alice . Dia menjadi terkenal apabila berlakon bersama sekumpulan pelakon untuk filem berjaya iaitu Our Little Sister . Filem ini memenangi anugerah Picture of the Year pada Anugerah Filem Akademi Jepun ke-39 . Watak beliau dalam filem tersebut telah memenangi anugerah Pendatang Baru Terbaik dalam majlis yang sama. Filem ini juga terpilih untuk bersaing dalam Palme d'Or di Festival Filem Cannes 2015 . [3] [4]

Pada tahun 2017, Hirose muncul dalam filem The Third Murder yang merupakan kejayaan besar. Dia memenangi anugerah Pelakon Pembantu Wanita Terbaik dalam Hadiah Filem Akademi Jepun ke-41 untuk wataknya dan filem itu turut dianugerahkan anugerah Picture of the Year dalam majlis yang sama. Filem ini ditayangkan di bahagian pertandingan utama Festival Filem Antarabangsa Venice ke-74 .

Dia telah dipilih untuk memegang watak utama dalam filem trilogi aksi langsung Chihayafuru, yang menerima kejayaan di pawagam. Dia telah dicalonkan sebanyak dua kali untuk Outstanding Performance By An Actress in a Leading Role di Anugerah Filem Akademi Jepun untuk watak beliau dalam Chihayafuru Bahagian 1 dalam Anugerah Filem Akademi Jepun ke-40 dan Not Quite Dead Yet dalam Anugerah Filem Akademi Jepun ke-44 .

Hirose melakonkan watak heroin untuk Asadora ke-100 NHK, Natsuzora: Natsu's Sky . [5] Dia telah muncul dalam pelbagai iklan sejak 2013 dan kerap memenangi pelbagai tinjauan pendapat untuk selebriti dengan sokongan terbanyak. Hirose muncul dalam beberapa drama televisyen seperti Kaitō Yamaneko (2016) dan Nemesis (2021) .

Dia telah dicalonkan untuk anugerah Pelakon Tambahan Wanita Terbaik dalam Hadiah Filem Akademi Jepun ke-45 untuk wataknya dalam filem A Morning of Farewell .