2004年，她被选中在战争大片《暴风女神》中担任关键角色。该片汇集了小说家福井晴敏、金牌制作人龟山千广、名导演樋口真嗣等一干精英，主演阵容则包括了役所广司、妻夫木聪等，然而在片中扮演德日混血美少女的香椎此前只在两部电视剧中有过一点表演经验。
2005年是香椎在影坛站稳脚跟并打开局面的一年，这年有四部她出演的电影上映，除了《暴风女神》，还有《琳达琳达》、《大停电之夜》和《笨贼丧擒救世主》，她凭借《琳达琳达》中的不俗表现获得了山路文子电影新人奖。
2006年7月8日，参与拍摄的电视剧《我的老板，我的英雄》在日本首播。9月16日，与小田切让、高田纯次、光石研主演的电影《国宝山椒鱼》在日本上映。
2007年1月8日，与速水重道主演的电视剧《东京塔》在日本首播，饰演佐佐木真奈美。1月27日，参与拍摄的电影《梦十夜》在日本上映。4月3日，主演的电影《地球上只有我们两人》在德国上映。4月4日，参与拍摄的电影《黄色的眼泪》在日本上映。4月至7月期间，由于大学课程关系须于加拿大留学三个月进行语言留学研修，艺能活动暂停。10月，艺能活动重开，并演出电视剧《有闲俱乐部》。10月27日，与玉山铁二、洼冢俊介主演的电影《午夜进行曲》在日本上映，饰演黑川千惠。12月17日，参与拍摄的电视剧真人版《名侦探柯南》在日本首播。
2008年10月20日，与堀北真希、北川悠仁、大众诚治主演的电视剧《爱无罪》在日本首播，饰演樱井美月。12月6日，参与拍摄电影《252发现幸存者》日本上映。
2009年2月23日，与加藤罗莎、释由美子、水川麻美主演的电视剧《各血型女人结婚的方法》在日本首播。4月17日，与松田翔太、木村祐一主演的电视剧《名侦探守则》在日本首播。
2010年5月22日，参与拍摄电影的《热血拳击》在日本首映，饰演高津耀子。10月18日，与伊藤淳史、井浦新、柄本明主演电视剧《森林的牵牛花》在日本首播。
2012年7月16日，与洼田正孝、尾原光、千代将太主演的电视剧《走马灯株式会社》在日本首播。
2013年拍摄电视剧《黑教练》期间，因妊娠反应不得不退出剧组，香椎由宇在剧中饰演神奈川县警察特别科学搜查研究所的法医学研究员泽真智子。
