Aya Hirano begann ihre Musikkarriere Anfang der 2000er Jahre als Mitglied der kurzlebigen Gruppe SpringS, die von 2002 bis 2003 aktiv war. Ihre erste Solo-Veröffentlichung unter dem Label Lantis war die Single „Breakthrough“ am 8. März 2006, deren Titellied als Opening für das Visual Novel Finalist verwendet wurde. Kurz darauf folgte ihre zweite Single „Bouken desho desho?“ (冒険でしょでしょ？), veröffentlicht am 26. April 2006, die als großer Hit zum Opening der Anime-Serie The Melancholy of Haruhi Suzumiya wurde. Die Single war in Japan am Erscheinungstag ausverkauft. Dieselbe Serie enthielt auch die Insert-Songs „God knows...“ und „Lost my music“, gesungen von Hirano, die auf der Single „Suzumiya Haruhi no Tsumeawase“ am 21. Juni 2006 veröffentlicht wurden.

Hiranos Erfolg setzte sich mit der Veröffentlichung des Ending-Themas für The Melancholy of Haruhi Suzumiya, „Hare Hare Yukai“ (ハレ晴レユカイ), am 10. Mai 2006 fort. Dieser Song wurde zusammen mit den Synchronsprecherkolleginnen Minori Chihara und Yuko Goto aufgenommen und wurde zu einem kulturellen Phänomen, das Platz fünf der Oricon-Singlecharts erreichte. Die Single enthielt auch den B-Seiten-Track „Welcome UNKNOWN“ (うぇるかむUNKNOWN). Sie performte außerdem den Song „Super Driver“, der als Opening für die zweite Staffel von The Melancholy of Haruhi Suzumiya verwendet und als Single am 22. Juli 2009 veröffentlicht wurde. 2007 sang sie „Motteke! Sailor Fuku“ als Teil einer Gruppe mit Emiri Katō, Kaori Fukuhara und Aya Endō, das als Opening für den Anime Lucky Star diente. Im selben Jahr veröffentlichte sie drei aufeinanderfolgende Singles: „Love Gun“ am 10. Oktober, „Neophilia“ am 7. November und „MonStAR“ am 5. Dezember.

Ihr Debütstudioalbum Riot Girl wurde am 16. Juli 2008 unter Lantis veröffentlicht. Das Album debütierte auf Platz sechs der Oricon-Charts und enthielt ihre vorherigen Singles sowie neue Tracks, von denen sie mehrere mitgeschrieben hatte. Hirano schrieb die Texte für Songs wie „Love Gun“, „Hero“, „Maybe I can't good-bye.“, „For you“, „Hoshi no Kakera“ (星のカケラ) und „Riot Girl“. Ihr zweites Album Speed Star veröffentlichte sie am 18. November 2009. Im Mai 2011 veröffentlichte sie ein Kompilationsalbum mit dem Titel Aya Museum, bevor sie eine Pause von ihrer Musikkarriere ankündigte. Sie kehrte 2012 zur Musik zurück und unterschrieb beim Label Universal Sigma. Ihre erste Veröffentlichung unter dem neuen Label war das Mini-Album Fragments am 23. Mai 2012. Darauf folgte die Single „Zutto Kitto“ (ずっと きっと) am 15. August 2012, deren Titellied als Ending für den Anime-Film Fairy Tail the Movie: Phoenix Priestess verwendet wurde.

Weitere bemerkenswerte Soundtrack- und Theme-Song-Beteiligungen umfassen „Ai Koko kara“ (ai・ココカラ) für den Anime Akane Iro ni Somaru Saka, „Koiirozora“ (恋色空) für White Album und „Mezamenai Wish…“ (目覚めないwish...) ebenfalls für Akane Iro ni Somaru Saka. Sie wird für „Unnamed World“ genannt, veröffentlicht am 23. April 2008 als Ending für den Anime Nijū Mensō no Musume. Ihr Song „Namida“ (涙 NAMIDA ナミダ) wurde als Ending für den Anime Hyakko verwendet. Sie performte auch den Song „Promise“, veröffentlicht am 9. Oktober 2013, der als Insert-Song im Dokumentarfilm Kitakitsune Monogatari: Ashita e eingesetzt wurde. Ihr viertes Album Vivid wurde am 19. Februar 2014 veröffentlicht. 2018 sang sie den Song „Pride“ als Charakterlied für das Mobile Game Granblue Fantasy.

Während ihrer gesamten Musikkarriere arbeitete Aya Hirano häufig mit dem Komponisten und Arrangeur nishi-ken sowie der Texterin Aki Hata und dem Komponisten Katsuhiko Kurosu zusammen, die an vielen ihrer Solotracks mitwirkten. Ihre musikalische Identität ist im J-Pop und J-Rock verwurzelt, oft verbunden mit dem energiegeladenen und melodiösen Stil, der typisch für Anime-Soundtracks der späten 2000er Jahre ist. Als Aufnahmekünstlerin war sie bemerkenswert als eine der ersten Synchronsprecherinnen, die erfolgreich in den Mainstream-Musikmarkt übertrat, Charterfolge und bedeutende Verkaufszahlen erzielte, darunter die gold-zertifizierte Single „Hare Hare Yukai“, die über 123.000 Exemplare verkaufte. Ihre Arbeit an The Melancholy of Haruhi Suzumiya und anderen großen Franchises half, die Ära der Idol-Synchronsprecherinnen zu definieren, die ihre eigenen Charakterlieder und Theme-Musik performten.