Arimura est née le 13 février 1993 dans la ville d'Itami, préfecture de Hyōgo, au Japon. Elle a une sœur aînée, Airi Arimura, qui est mannequin et actrice.
En décembre 2009, alors qu'elle fréquente le lycée Itami Nishi de la préfecture de Hyogo, Arimura passe une audition pour FLaMme et la réussit. En mai 2010, elle fait sa première apparition dans la série Hagane no Onna. Arimura a gagné en popularité en apparaissant dans le Morning drama Amachan en 2013. Arimura est ensuite apparue en tant qu'actrice principale dans le film Flying Colors, acclamé par la critique, où elle a joué le rôle d'une adolescente troublée qui fréquente une école de bachotage à la demande de sa mère afin d'entrer à l'université. Le film a connu un énorme succès au box-office et a été le 8e film le plus rentable au Japon en 2015. Arimura a été nommée à la fois pour l'Outstanding Performance By An Actress In A Leading Role et le Newcomer of the Year Awards lors de la 39e édition du Japan Academy Film Prize pour son rôle dans le film. Elle a reçu le prix de la révélation de l'année.
Arimura a été sélectionnée comme actrice principale pour Asadora Hiyokko au cours de l'année 2017. Pour son rôle dans le drame, elle a été élue meilleure actrice dans The 94th Television Drama Academy Awards (2017), un prix décerné trimestriellement par un magazine japonais populaire, The Television, et sont basés sur les résultats combinés des votes des lecteurs du magazine, des jurys et des journalistes de télévision au Japon. Elle est depuis apparue dans de nombreux drames télévisés et films acclamés par la critique, tels que Meet Me After School, I Am a Hero, Cafe Funiculi Funicula et Sekigahara. Dans le film Sekigahara, Arimura joue le rôle d'un ninja nommé Hatsume qui est recruté par le légendaire samouraï Ishida Mitsunari. Le film a été nommé pour le prix de l'image de l'année lors de la 41e édition du Japan Academy Film Prize.
Arimura a également joué des rôles dans des œuvres considérées comme controversées par nature. Dans le drame Meet Me After School, Arimura a joué le rôle difficile d'une jeune enseignante qui finit par tomber amoureuse de son élève de 15 ans. Malgré sa nature controversée, le film a été nommé meilleur film dramatique lors de la 99e édition des Japan Television Drama Academy Awards.
L'année 2021 s'est révélée très fructueuse pour Arimura. Elle a joué dans le film We Made A Beautiful Bouquet, qui a été le 8e film le plus rentable de 2021 au Japon. Arimura a reçu le prix de la meilleure actrice lors de la 45e édition du Japan Academy Film Prize pour son rôle dans le film. Arimura a également joué dans les films à succès Rurouni Kenshin : The Final et Rurouni Kenshin : The Beginning, les deux derniers films de la franchise cinématographique épique Rurouni Kenshin, qui consiste en des films adaptés de la série de mangas Rurouni Kenshin. Les deux films ont été d'énormes succès au box-office en 2021 au Japon, rapportant plus de 6,5 milliards de yens cumulés. Arimura a interprété Yukishiro Tomoe, l'épouse décédée du personnage principal Himura Kenshin. Rurouni Kenshin : The Final a été le 6e film le plus rentable, tandis que Rurouni Kenshin : The Beginning a été le 13e film le plus rentable pour l'année 2021 au Japon.
Du côté des séries, Arimura a joué le rôle d'une jeune femme qui a du mal à trouver un emploi et qui tombe par hasard sur un groupe d'humoristes également en difficulté dans la série Life's Punchline (Konto Ga Hajimaru), une tranche de vie de 2021. Pour son rôle dans ce drame, elle a été élue meilleure actrice dans un second rôle lors de la 108e édition des Television Drama Academy Awards, ce qui fait d'elle l'une des rares actrices à avoir remporté à la fois le prix de la meilleure actrice (Hiyokko) et celui de la meilleure actrice dans un second rôle (Life's Punchline) lors des Television Drama Academy Awards.
Arimura est apparue dans le drame Zenkamono (a.k.a Prior Convictions) dans lequel elle jouait le rôle d'un agent de probation volontaire chargé de superviser trois condamnés en liberté conditionnelle. Une version cinématographique de Zenkamono avec Arimura est également sortie en 2022. En 2022, Arimura apparaît aux côtés de Ninomiya Kazunari dans le téléfilm spécial Adventure of Comandante Cappellini (Sensuikan Cappellini-go no Bouken) et joue dans le drame Ishiko and Haneo. Arimura apparaît dans le film Phases of the Moon en décembre 2022[1].
En janvier 2023, Arimura est apparu dans le 62e drama NHK taiga What Will You Do, Ieyasu ? En février, Kasumi a joué dans le film Call Me Chihiro, produit par Netflix.
En juin 2024, Arimura est apparu dans le film Dear Family en tant que personnage secondaire[2].
En juillet 2024, Kasumi a joué aux côtés de Ren Meguro dans le drame Where Does The Sea Begin[3].
En novembre 2024, Kasumi est apparu dans le drame produit par Netflix intitulé Beyond Goodbye. Beyond Goodbye a été classé 9e série télévisée non anglaise la plus regardée sur Netflix lors de sa première semaine de diffusion[4].
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