Ha fatto parte dal 2006 al 2014 del gruppoidol delle AKB48, delle quali è stata una delle componenti più rappresentative, essendo stata capitano del Team K e avendo vinto per due volte le elezioni come membro più popolare tra i fan. Fa inoltre parte del gruppo Not yet, sub-unit delle AKB48.
Yūko Ōshima nasce a Mibu, distretto di Shimotsuga, nella prefettura di Tochigi, in Giappone[2], mentre sua madre è originaria di Hokkaidō[3]. Le sue prime apparizioni nel mondo dello spettacolo risalgono al 1996 quando, spronata dalla madre, partecipa a un provino dell'agenzia di talenti Central Kodomo Gekidan, venendo scritturata come attrice bambina e partecipando alle riprese del dorama della TBSHiyoko-tachi no tenshi[4]. Nel 2005 entra a far parte del gruppo junior idol Doll's Vox, breve progetto ideato e prodotto dal front-man degli AlfeeToshihiko Takamizawa[5], mentre nel 2006 partecipa alla seconda audizione indetta dal gruppo idol delle AKB48, prodotto da Yasushi Akimoto, venendo scelta insieme ad altre diciassette ragazze per formare il Team K. Debutta con quest'ultimo nell'ottobre dello stesso anno con il singoloAitakatta[6].
Nel 2007 ottiene il suo primo ruolo da seiyū, doppiando il personaggio di Rinne nell'OAVIce[7], e il suo primo ruolo da protagonista nel film Densen uta di Masato Harada[8]. Nel 2008 torna davanti alla cinepresa recitando nel dorama della TBS Bengoshi Ichinose Rinko[9] mentre nel 2009 è protagonista del film j-horrorTeketeke, diretto da Kōji Shiraishi[10]. Nell'aprile dello stesso anno è costretta a sospendere momentaneamente le attività con le AKB48 per sottoporsi a un'operazione chirurgica alla gola[11]; ripresasi, torna a esibirsi col gruppo negli ultimi giorni del mese, evitando tuttavia di utilizzare la voce e limitando le attività al ballo per tutta la durata della riabilitazione[12]. Sempre nel 2009 viene eletta dai fan secondo membro più popolare tra tutte le ragazze delle AKB48 attraverso il caratteristico sistema a elezioni che contraddistingue il gruppo, piazzandosi alle spalle di Atsuko Maeda[13].
Da gennaio a marzo 2010 Ōshima compare insieme ad altre componenti delle AKB48 nel dorama della TV TokyoMajisuka Gakuen[14] mentre in estate riceve per la prima volta il maggior numero di voti nelle elezioni annuali[15], aggiudicandosi così la posizione di "center" (ovvero il membro che sta al centro del palco durante l'esecuzione del brano e della coreografia associata) per il singolo Heavy Rotation[16]. Conclude l'anno recitando nel dorama della TV AsahiRei nōryoku-sha oda girikyōko no uso[17]. Nel gennaio 2011 viene annunciata la formazione di una sub-unit delle AKB48, le Not yet, in cui entrano a far parte Rino Sashihara, Yui Yokoyama, Rie Kitahara e la stessa Ōshima; contestualmente viene annunciata la data di uscita del primo singolo, Shūmatsu Not yet, pubblicato nel marzo successivo[18]. Ōshima viene selezionata inoltre come membro del "Team pichi-pichi NHK" insieme ad altre sette componenti delle AKB48 per promuovere l'omonimo programma televisivo della NHK[19]. Nelle elezioni del 2011 si piazza un'altra volta seconda, di nuovo alle spalle di Maeda[20], mentre ottiene il ruolo di una delle tre protagoniste nel dorama The Reason I Can't Find My Love, in onda dall'ottobre al dicembre 2011 sulla Fuji TV[21]. A fine anno risulta essere il personaggio televisivo femminile con il maggior numero di contratti pubblicitari all'attivo, con apparizioni in diciannove diversi spot televisivi durante tutto il 2011[22].
Nel 2012 recita nel dorama Kaeru no ōjo-sama della Fuji TV[23][24] e presta la voce al personaggio di Merida nella versione giapponese del film DisneyRibelle - The Brave[25], mentre nelle elezioni annuali delle AKB48 risulta essere nuovamente la più votata dai fan[26][27]; di conseguenza il gruppo il 29 agosto pubblica il singolo Gingham Check con Ōshima in qualità di "center". Durante il concerto al Tokyo Dome del 24 agosto viene nominata capitano del Team K[28][29]. Ōshima viene scelta come "center" anche per il singolo successivo Uza, insieme a Jurina Matsui[30].
Nel 2013 ottiene il ruolo di co-protagonista nel dorama Ando Lloyd: A.I. knows Love? della TBS[31], mentre nelle elezioni si piazza seconda alle spalle di Rino Sashihara[32]. Il 31 dicembre, durante la trasmissione Kōhaku uta gassen, Ōshima annuncia di voler lasciare le AKB48[33] così da potersi concentrare sulla carriera di attrice[34]. Il concerto di addio, inizialmente previsto allo Stadio Olimpico di Tokyo per marzo 2014[35], viene posticipato all'8 giugno e spostato al Tokyo Stadium a causa delle cattive condizioni ambientali[36]. Nella nuova location il concerto si svolge regolarmente, davanti a una folla di 70 000 spettatori[37]. Il giorno dopo, Ōshima si esibisce per l'ultima volta col gruppo all'AKB48 Theatre di Akihabara[38].
2010 - Chance no Junban (Non canta nella title track; le partecipanti al singolo furono scelte in base ai risultati del torneo di morra cinese[40]; canta in Yoyakushita Christmas e Alive)
2011 - Ue kara Mariko (Non canta nella title track; le partecipanti al singolo furono scelte in base ai risultati del torneo di morra cinese[41][42]; canta in Noël no yoru e in Zero-sum taiyō)
2012 - Manatsu no Sounds Good! (Canta anche in Chōdai, darling! e Kimi no tame ni boku wa...)
2012 - Gingham Check ("Center" per via del 1º posto nelle elezioni del 2012; canta anche in Yume no kawa)
2012 - Uza ("Center"; canta anche in Scrap & Build)
2012 - Eien pressure (Non canta nella title track; le partecipanti al singolo furono scelte in base ai risultati del torneo di morra cinese; canta in Totteoki Christmas e Eien yori tsuzuku yō ni)
^(JA) 北の大地へ, in Yūko Ōshima Official Blog, Ameblo.jp, 18 maggio 2013. URL consultato il 18 ottobre 2014 (archiviato dall'url originale il 18 giugno 2014).
^(JA) 大島優子 曇り時々雨のち涙…そして“晴れて”卒業, in Sponichi Annex, 9 giugno 2014. URL consultato il 22 settembre 2014.
^(JA) 優子 涙と笑顔の卒業「AKBは私の宝物」ヘビロテ締め, in Sponichi Annex, 9 giugno 2014. URL consultato il 22 settembre 2014 (archiviato dall'url originale il 3 settembre 2014).
^ab(JA) AKB48 【拠点】東京・秋葉原 【活動】2005年~, su entamedata.web.fc2.com, Entamedata.web. URL consultato il 23 settembre 2014.
^(JA) 【報知映画賞】大島優子、AKBから女優へ第一歩「すべてをかける」, su Hochi.co.jp, 28 novembre 2014. URL consultato il 3 dicembre 2014 (archiviato dall'url originale il 30 novembre 2014).
^(JA) 大島優子「早すぎてビックリ」助演女優賞, su Nikkansports.com, 1º febbraio 2015. URL consultato il 1º febbraio 2015.