Elle commence à jouer du piano à l'âge de trois ans, joue avec l'Orchestre symphonique de Kyūshū à l'ACROS Fukuoka à sept ans[1]. Yuko Ninomiya devient son professeur lorsqu'elle atteint l'âge de huit ans. À partir de 2007, elle étudie le piano à la Toho Gakuen School of Music(桐朋学園大学, Tōhō Gakuen Daigaku?)[2] à Tokyo. En 2013, elle commence à étudier au Curtis Institute à Philadelphie[3].
Aimi Kobayashi a remporté de nombreux prix au Japon, parmi lesquels la médaille d'or catégorie junior du Concours international de piano Frédéric Chopin en Asie en 2004[2],[4],
le premier prix du 59eConcours de Musique pour Étudiants du Japon en 2005[1] et la médaille d'or dans la catégorie Concerto sans limite d'âge du Concours international de piano Frédéric Chopin en Asie en 2011[5].
En 2010, à l'occasion d'une cérémonie pour le bicentenaire de la naissance de Chopin, le gouvernement polonais lui remet un Passeport Chopin[6].
En 2012, elle obtient le troisième prix du concours Gina Bachauer dans la catégorie « jeune artiste »[7].
Elle a donné des représentations notamment à Paris à la Salle Cortot où elle donne son premier récital à l'étranger[2], en Pologne, à Moscou au Moscow International House of Music (russe : Московский международный Дом музыки) sous la direction de Vladimir Spivakov, à New York où elle a joué à quatre reprises au Carnegie Hall[1], ainsi qu'en Corée du Sud et au Brésil[6].
Aimi Kobayashi a donné de nombreux concerts dans les plus grandes villes du Japon, comme Tokyo, Nagoya, Ōsaka, ou encore Nagano.
En 2011, elle fait ses débuts au cinéma dans le film Sleep de Katsumi Sakaguchi, présenté au festival international du film de Rotterdam[8]. Elle a également contribué à la bande son du film, ainsi qu'à celle d'un autre film de Sakaguchi, « Atomic Bomb Home »[9].
En 2021, elle obtient la quatrième place ex æquo lors de la 18e edition du Concours international de piano Frédéric-Chopin[15].
En 2023, elle annonce son mariage avec son ami d'enfance Kyohei Sorita, lauréat de la seconde place du concours Chopin en 2021. Le couple annonce simultanément un enfant à venir[16].
