2005年に東京音楽大学付属高等学校を首席で卒業。同年よりハンガリー国立リスト音楽院にて、バルトークやリストの研究者で世界的に著名なジョルジュ・ナードルに師事。

2008年より米国に拠点を移して演奏活動を開始。同年、ニュージャージー州・プリンストン大学でのシンポジウムに奨学生として参加し、エドナ・ゴランスキーにターブマン奏法を学ぶ。2009年、NYのスタインウェイホールにてリサイタルを行い満席となった。

3作目にあたる『レゾナンス～ホロヴィッツ・トリビュート～』では、ホロヴィッツが愛奏したと言われる銘器スタインウェイ 《CD75》をレコーディングに使用。レコード芸術誌において特選盤に選出された。

2014年には、YouTubeで200万再生を超えた「ラ・カンパネラ」（現在390万回突破）を含むDVD『AYA NAGATOMI IN CONCERT』をリリース。

2016年、キャリア初となるオール・ベートーヴェンの作品集『Aya Nagatomi plays Beethoven』をリリース（レコード芸術誌・特選盤）。2019年には、タカギクラヴィアより『Aya Nagatomi plays Chopin』（レコード芸術誌・特選盤）リリースした。

これまでに上海クァルテット、ウェールズ弦楽四重奏団、コロンえりか等と共演。神奈川フィルハーモニー管弦楽団、兵庫芸術文化センター管弦楽団、大阪交響楽団と協奏曲を共演し、いずれも好評を博している。

近年は作曲家の生涯を題材にした講座形式のコンサートを行うほか、ラジオのパーソナリティも務めるなど、演奏活動と並行してクラシックをより多くの人に届けるための活動も行っている。

2021年10月6日にビクターよりラヴェルの作品をリリース。