沖縄県浦添市の生まれ。1993年、地元のタレント養成学校・沖縄タレントアカデミーに入学し、翌94年の沖縄テレビ制作のドラマ『青い夏』のオーディションでグランプリを獲得、女優デビューを果たす。95年より上京して本格的に女優活動を開始し、本広克行監督「友子の場合」96に主人公（ともさかりえ）の友人・咲子役で映画初出演すると、以後、テレビ朝日『イタズラなKiss』96、フジテレビ『もう我慢できない！』96、『踊る大捜査線・歳末特別警戒スペシャル』97、NHK連続テレビ小説『天うらら』98などのテレビドラマにも脇役で出演を重ねる。97年のNHK『しあわせ色写真館』では、“本当の家族写真”を探して丹阿弥谷津子の営む写真館を訪れる女子高生を演じ、ドラマ初主演。98年のフジテレビ『神様、もう少しだけ』では、金城武演じる音楽プロデューサーの亡き恋人の妹で、彼を想う人気歌手を演じた。また同年の庵野秀明監督「ラブ＆ポップ」に、援助交際の経験のある大人びた女子高生役で出演して印象を残している。その後も金子修介監督「ガメラ３・邪神（イリス）覚醒」99の端役を経て、2000年、人気ホラー映画「リング」シリーズの完結編となる鶴田法男監督「リング０・バースデイ」で映画初主演。見ると必ず死ぬ“呪いのビデオ”の主人公となる山村貞子の青春時代から悲劇的な最期までを演じた。この時の演技が堤幸彦監督の目に留まり、同年のテレビ朝日『TRICK』の主役に抜擢。売れないマジシャンの山田奈緒子役で、手品のトリックを用いて超常現象絡みの事件の謎を解くユニークなキャラクターと、ひょんなことからコンビを組むことになる物理学者の上田次郎（阿部寛）とのコミカルな掛け合いが評判になる。02年の続編『TRICK２』と、同年11月公開の「TRICK劇場版」でも引き続き山田役をつとめ、以降もドラマ、映画でシリーズが断続的に続く最大の代表作となった。この02年は日本テレビ『ごくせん』にも、任俠一家の跡取り娘で熱血教師の“ヤンクミ”こと山口久美子役で主演。銀ブチメガネにジャージ姿という地味ないでたちながら、不良生徒たちに威勢のよいタンカを切る型破りな教師像が幅広い視聴者に支持され、最終回は視聴率23％を記録。こちらも続編、映画版が作られる長い人気シリーズとなり、もうひとつの出世作とした。その後も日本テレビ『ナイトホスピタル・病気は眠らない』02、フジテレビ『顔』03、『東京湾景』04など連続ドラマの主演が相次ぐ。06年にはNHK大河ドラマ『功名が辻』で主演を飾り、戦国時代の土佐藩主・山内一豊（上川隆也）を内助の功で支えた妻・千代役を好演。国民的女優としての地位を確立するとともに、05年12月のNHK『紅白歌合戦』で初の司会を担当してから、06年、08年、09年と現在まで計４回の司会をつとめた。映画は堤監督「溺れる魚」01で、落ちこぼれ刑事の椎名桔平と窪塚洋介に内偵調査を命じる有能だが感情に乏しい女警部を演じたほか、佐藤信介監督の青春映画「LOVE SONG」01にヒロイン役で出演。東野圭吾原作、井坂聡監督「g@me」03では、藤木直人演じるエリート社員に狂言誘拐を持ちかける広告会社の副社長の娘を演じた。山田風太郎の『甲賀忍法帖』をもとにした下山天監督「忍／SHINOBI」05では、密かに愛を育んでいた弦之介（オダギリジョー）率いる甲賀忍者一族との戦いを強いられる伊賀のくノ一・朧役で主演。林徹監督「大奥」06では、七代将軍・徳川家継の治世に、陰謀と知りつつ歌舞伎役者の生島（西島秀俊）に惹かれてゆく大奥総取締役・絵島に扮した。福澤克雄監督「私は貝になりたい」08では、太平洋戦争のＢ級Ｃ級戦犯として処刑される主人公（中居正広）の妻、森田芳光監督「武士の家計簿」10では、加賀藩の財政を担当する猪山直之（堺雅人）に嫁ぎ“家計立て直し計画”に協力する献身的な妻を、それぞれ演じている。テレビドラマの出演作はほかに、日本テレビ『FACE／見知らぬ恋人』『明日があるさ』01、フジテレビ『ウソコイ』01、『島根の弁護士』07、『ありふれた奇跡』09、NHK『武蔵／MUSASHI』03、『ハルとナツ・届かなかった手紙』05、テレビ朝日『弟』04、『エラいところに嫁いでしまった！』07、『アンタッチャブル／事件記者・鳴海遼子』09、TBS『ひまわり・夏目雅子27年の生涯と母の愛』『ジョシデカ！／女子刑事』07、『99年の愛／JAPANESE AMERICANS』10、テレビ東京『寧々・おんな太閤記』09など多数がある。07年には、『ハルとナツ』で演じたナツを主役にした新橋演舞場の舞台『ナツひとり・届かなかった手紙』で初座長公演をつとめ、11年２月の舞台『琉球ロマネスク／テンペスト』では19世紀末の琉球で名前を偽って王宮につとめる男装の才女・真鶴役で主演。同作は逆に、舞台からNHK-BSで11年夏に放送予定のドラマ『テンペスト』へと発展する。ドラマの近作であるフジテレビ『美しい隣人』11では、隣家の主婦（檀れい）に取り入り、じわじわと生活を脅かしてゆく悪女役で新境地を開拓した。また、『TRICK』『ごくせん』でのブレイク以降、資生堂、日清食品、KDDI、サッポロビール、武田薬品工業など大手企業のCMに多数出演し、“CMの女王”の異名もとる。