2002年，美山加恋通过出演个人的首部舞台剧《てるてる坊主の照子さん》以演员身份出道。

2003年，在二宫和也主演的青春校园剧《StandUp!!》里饰演女主角“大和田千绘”的幼年时期。

2004年，凭借在家庭剧《我和她和她的生存之道》中饰演伶俐可人的“小柳凛”一角获得更多关注，并获得了第40届日剧学院赏助演女优赏和新人赏；同年，美山加恋还参演了竹内结子主演的爱情电影《借着雨点说爱你》。

2005年，出演NHK名古屋放送局制作的连续剧《七色のおばんざい》；同年，客串伊东美咲主演的亲情剧《危险姐姐》的第5集和第10集。

2006年，与森迫永依联袂出演富士电视台出品的漫改SP特别剧《樱桃小丸子真人版1》，并在该剧中饰演了温柔善良、文静懂事的“小玉”；7月，主演TBS电视台白天放送的连续剧《重返童年》；同年，美山加恋还在宫崎葵主演的HNK晨间剧《纯情闪耀》里扮演女主角“有森樱子”的幼年时代。

2007年3月，与佐藤惠、竹财辉之助、泉泽祐希等人合作出演长篇连续剧《砂时计》，饰演女主角“水濑杏”的小学生时代；10月，在上川隆也主演的社会剧《笨天鹅～3万日圆零花钱的爱情》里扮演男主角的女儿“诹访野理英”。

2008年，在谷村美月主演的漫改爱情剧《猫街》里饰演女主角“青山惠都”的少女时期；同年，还出演了映画都市20周年特别企画电影作品《叔叔公园的秘密》。

2009年2月14日，发行个人的第二本写真集《puka》；同年，与大仓忠义、安田章大、国仲凉子等人合作出演刑侦剧《ROMES机场防御系统》。

2010年5月，在韩国KBS电视台制作的谍战爱情剧《IRIS》中客串日本少女“Yuki”；10月，出演东京电视台出品的特摄连续剧《大魔神卡农》。

2011年，出演富士电视台出品的SP特别剧《故乡：女儿的旅程》；8月，与三上博史、寺岛忍、池内博之等人合作共演社会剧《下町火箭》，饰演男主角“佃航平”的独生女“佃利菜”；同年，主演惊悚恐怖电影《幻妖神曲》。

2012年1月，出演东海电视台出品的午间剧《铃子之恋》，并饰演了女主角“日向铃子”的少女时期；3月，参与动画电影《给桃子的信》的声优工作，为主人公“宫浦桃子”配音；6月，首度担任舞台剧《神之摩天轮》的主演；10月，与长泽雅美、南泽奈央、中尾明庆等人合作共演根据推理小说作家凑佳苗同名原作改编的悬疑剧《高校入试》。

2013年8月，与西内玛利亚、山本裕典、特林德尔·玲奈等人合作共演奇幻爱情剧《山田君与七人魔女》，在剧中饰演了拥有心灵感应能力的魔女“大冢芽子”。

2014年4月，出演的温情亲情电影《樱花盛开》在日本上映；9月，出演浅野优子主演的家庭剧《无法放任不管的魔女们》；9月26日，与中条彩未、森川葵、小岛藤子合作出演的悬疑惊悚电影《零》在日本上映。

2015年6月，与早见明里、古畑星夏合作共演美食剧《爱吃拉面的小泉同学》，饰演对“小泉”很感兴趣的女学生“大泽悠”；11月，在东海电视台出品的午间剧《新牡丹与蔷薇》里饰演了女主角母亲“西山真澄”的青年时代。

2016年2月6日，与宫泽佐江合作出演的治愈电影《九扇窗户》在日本上映，并出演了该片中的单元故事《回想列车》；10月15日，与木村佳乃、室井滋合作出演的SP特别剧《母亲们的愿望》在中京电视台播出；同年，美山加恋还继续出演了《爱吃拉面的小泉同学2016年末SP》。

2017年1月7日，与中岛裕翔、新木优子合作出演的爱情电影《明天也有好吃的饭》在日本上映；8月，主演经典音乐剧《红发安妮》，而这也是她出道15年来首度担任音乐剧的主演。

美山加恋的兴趣是看漫画和动画，特长是制作点心、跳草裙舞和韩语交流。以出演韩剧《iris》为契机开始学习韩文，而且还可以进行日常对话。

影视类

• 2004第40届日剧学院赏助演女优赏&新人赏我和她和她的生存之道（获奖）

美山加恋因在韩剧《Iris》中客串日本少女“Yuki”引起了不少韩国观众热烈反应，清纯的样貌和对男主角照顾有加的角色十分讨好。

美山加恋在2004年的时候因为出演了《我和她们的生存之道》而一炮走红，她那不输给大人的演技赢得了无数赞誉，童星时代精彩的演技为她斩获了当年学院赏的最佳女配角和最佳新人奖。随后，她又在《真人版樱桃小丸子》里将小玉绎得非常到位，在整部剧集里相当抢眼。尽管其无法再以童星的身份活动，但是多年演出经历所培养的演技一如既往地获得了好评。