Mizuhara từng tham gia diễn xuất trong phim điện ảnh Rừng Na Uy (2010) của đạo diễn người Pháp gốc Việt Trần Anh Hùng cùng với Kenichi Matsuyama và Rinko Kikuchi.[6][7] Cô còn đóng vai phụ trong phim Helter Skelter năm (2012) của đạo diễn Mika Ninagawa dựa trên bộ truyện tranh manga cùng tên từng đoạt giải của tác giả Kyoko Okazaki.[8]

Mizuhara đóng vai phụ trong phimI'm Flash! (2012) của Toshiaki Toyoda.[9][10]

Cô tham gia đóng phim Platinum Data với Kazunari Ninomiya của Keishi Otomo.[11]

Năm 2015, cô đóng vai Mikasa Ackerman trong bộ phim bom tấn Attack On Titan, được chuyển thể từ manga cùng tên được viết và minh họa bởi Isayama Hajime.