2003年（平成15年）3月に地元の中学校を卒業。秋田フォーラス（秋田市）にあるショップ「流行屋」の店員として働いていた[3][4]ところ、2005年（平成17年）に集英社の青年漫画雑誌「週刊ヤングジャンプ」の全国縦断素人美少女発見グラビア『ギャルコンJAPAN』のスタッフが偶然見かけ、同店の店長[5]の承認を得て写真撮影がなされた。佐々木の写真は同年6月30日発売の同誌に掲載され[6]、翌2006年（平成18年）3月9日発売の同誌にて初代グランプリとなったことが発表された[7][8]。
同年8月、集英社の女性ファッション雑誌「PINKY」の『第2回プリンセスPINKYオーディション』で、応募4290人の中からグランプリを受賞した[9][10]。
集英社発行の雑誌において、読者層が大きく異なるグラビアアイドル系のコンテスト（読者層が若年男性）とファッションモデル系のコンテスト（読者層が若年女性）の双方でグランプリを獲得したのは初であり、芸能事務所10数社から獲得の申し出があった。そのため、集英社が各事務所との面接を段取りし、ヤングジャンプ愛読者だった当時のマネージャーの熱意を受けてトップコート所属となる。事務所所属を機にショップ店員を辞めて上京。その際には地元の友人から送別会で友情の証しとして『リング』などをもらった。
2007年（平成19年）1月、集英社の少女漫画雑誌「マーガレット」に、佐々木のシンデレラストーリーを漫画化した『ガールフロムアキタトゥートキオ!!』（中田ミノル画）が掲載された。同年より、集英社の「金のティアラ大賞」応援キャラクターとしても活動[11]。その一方で、集英社「PINKY」の専属モデルとしても活動し、同年5月発行の同誌7月号で鈴木えみと共に初の表紙を飾った。同年5月7日にはブログを始めた[12]。11月21日発売のAqua Timezのアルバム「ダレカの地上絵」収録曲『B with U』のミュージック・ビデオにも出演した。
2008年（平成20年）1月5日に秋田テレビ「とことん生チュー2008ch」出演[13]、1月7日にNHK総合の東北地方ブロックネットの新春インタビューコーナーに出演[14]、3月8日に秋田放送「いいオンナ!! 美人育成プロジェクト」に同郷の鳥居みゆきと共に出演するなど地元でのテレビ出演をした。また、秋田弁を話すナマドルとしても紹介された[15]。3月24日より、WOWOW「Discover! UEFA EURO 2008」で衛星放送で全国放送デビュー。4月4日からTOKYO MX「ガリンペイロeX」にも半年間出演し、5月21日にはフジテレビ系列「爆笑レッドカーペット」で地上波全国デビューした。
テレビでのタレント活動と並行して、同年1月発行の「PINKY」3月号では初めて単独表紙を飾り、2月4日からは日本コカ・コーラ『爽健美茶』のCMに杏、すみれ、VANESSAと共に出演して全国版CMデビュー[16]。9月6日には東京ガールズコレクション2008 A/Wに出演するなどファッションモデルとしてのキャリアを重ねた。また、8月1日には集英社から1st写真集『Nozomi』、9月25日にはリバプールから1stDVD『nozomi』を各々発売し、グラビアアイドルとしての活動も続けた。
さらに、同年11月1日公開の映画『ハンサム★スーツ』で女優デビューし、翌2009年（平成21年）1月13日から放送された日本テレビ系列の火曜ドラマ『神の雫』では連続ドラマ初出演を果たした。また、1月14日からは日本テレビ系列『レコ☆Hits!』で木下優樹菜と共に初めて司会者を担当した。
同年3月23日からロッテの新商品ガム「Fit's」のCMが全国放送開始され[17]、パパイヤ鈴木による独特な振り付けで踊る佐々木が話題になり、その振り付けを真似た動画をYouTubeに投稿してその再生回数で競う「Fit's ダンスコンテスト」が開催されるまでになった[18]。4月22日発売のティニーシャ・ケリーのファースト・アルバム「クロニクル・オブ・TK」では、佐々木からのラブコールによって、ティニーシャと共にアートワークの共同制作を行なった。7月21日～8月20日の日本雑誌協会「雑誌愛読月間」ではイメージキャラクター[19]を務め、計300誌に露出した[20]。11月7日公開の映画『天使の恋』では初主演を果たす[21]。
2010年（平成22年）1月より、「PINKY」の休刊に伴って集英社の女性ファッション雑誌『non-no』のレギュラーモデルとなる[22]。4月28日、自分のブランドを立ち上げるというの長年の夢を叶え、「Cotton Cloud」をオンラインショップにてオープンした。7月21日には自身が出演する「Fit's」のCMのBGM「狼少年ケンのテーマ」のメロディを用いた『噛むとフニャン feat.Astro』で歌手としてメジャー・デビュー[2]。10月4日からはフジテレビ系列『笑っていいとも!』に木曜レギュラーとして出演を始めた。
2010年（平成22年）11月25日、秋田県が新設した秋田をPRする「あきた美の国大使」に、加藤夏希（由利本荘市出身）と共に委嘱されることが発表された[23]。発表に際して佐竹敬久秋田県知事は、2人のことを『スーパー秋田美人』と称した[24]。
