埼玉県浦和市（現・さいたま市）の生まれ。中学卒業直後の春休みに原宿でスカウトされ、1995年に芸能界入り。大蔵省やカルビー・ポテトチップスのCMに出演したのち、96年のフジテレビ『新・木曜の怪談／サイボーグ』で堂本光一演じる主人公の幼なじみ役を演じ、女優デビューする。以後、フジテレビ『いいひと。』97、TBS『寺内貫太郎一家'98秋』『なにさまっ！』98などのテレビドラマに出演。98年の中田秀夫監督「リング」で、呪いのビデオを見て謎の死を遂げる女子高生役で映画初出演も果たす。同年の下山天監督「イノセントワールド」では、知的障害を持つ異父兄（安藤政信）とともに実の父親を探す旅に出る少女・アミを演じたほか、井筒和幸監督「ビッグ・ショー！／ハワイに唄えば」99では室井滋演じる売れない演歌歌手の付き人役。この99年には、NHK連続テレビ小説『あすか』の主役に抜擢され、奈良・飛鳥地方で育ち、和菓子職人を目指して京都の老舗で修業に励むヒロインをさわやかに演じて、世間の注目を集めた。2001年にはTBS『白い影』で、腕は良いが秘密を抱えた外科医（中居正広）に最初は反発しながらも、次第に心惹かれてゆく看護師を好演。フジテレビ『ムコ殿』01、TBS『ガッコの先生』01を経て、フジテレビ『ランチの女王』02でドラマ初主演し、ひょんなことから江口洋介、妻夫木聡、山下智久ら兄弟が営む洋食店に住み込みで働くことになる快活な女性役で、一躍人気者となった。映画では、塩田明彦監督「黄泉がえり」03で草彅剛と共演。死者が生前の姿のまま蘇る奇妙な現象が発生した九州・阿蘇で、事故で亡くなった恋人を一途に想うヒロイン・葵を演じ、日本映画批評家大賞の主演女優賞を受賞。作品自体も興行収入32億円のヒットを記録した。以降は冨樫森監督「星に願いを。」03、篠原哲雄監督「天国の本屋・恋火」04など“泣ける”映画への出演が続く。特に土井裕泰監督による市原拓司のベストセラー小説の映画化「いま、会いにゆきます」04は、興収48億円の大ヒット作となった。この映画で共演した中村獅童と翌05年に結婚。男児を出産する。出産休業前に出演した三島由紀夫原作、行定勲監督の「春の雪」05では、妻夫木聡演じる侯爵家の一人息子と許されぬ恋をする美貌の華族令嬢・聡子に扮するなど、この頃から清楚でしとやかな女性を演じることが多くなる。これらと前後して、木村拓哉演じるアイスホッケー選手と恋に落ちるOLを演じたフジテレビ『プライド』04が、平均視聴率25％超を記録するなど、ドラマでの活躍も続き、同局『不機嫌なジーン』05では動物行動学を専攻する恋愛下手な大学院生役で、等身大のヒロインをリアルに表現。老若男女に愛される女優として、人気を不動のものとした。出産前後の休養から復帰した07年には、芥川賞作家・長嶋有の同名小説を映画化した根岸吉太郎監督「サイドカーに犬」で主演。1980年代を舞台に、母親が出ていった小学４年生の薫（松本花奈）のもとにふらりと現れ、一緒に夏休みを過ごすことになる父の若い愛人・ヨーコ役を演じ、おおらかでサバサバした部分と繊細さを併せ持った女性像を生き生きと演じて、キネマ旬報賞、日刊スポーツ映画大賞など５つの主演女優賞を獲得した。同年には行定勲監督「ショコラの見た世界」「クローズド・ノート」にも主演。成島出監督「ミッドナイト・イーグル」でもヒロイン役をつとめるなど、ラブストーリーからアクションまで幅広い活躍を見せた。海堂尊の医療ミステリーが原作の中村義洋監督「チーム・バチスタの栄光」08では、病院内で起きた事件の真相を探る心療内科の女医・田口公子を演じ、切れ者だが変人の厚生省の官僚・白鳥（阿部寛）と軽妙な掛け合いを繰り広げた。好評により作られた続編「ジェネラル・ルージュの凱旋」09にも、阿部とのコンビで出演。中村監督とは「ゴールデンスランバー」10でも組み、首相暗殺の濡れ衣を着せられ逃亡を続ける主人公（堺雅人）の窮地を人知れず救う、大学の同級生で元恋人の晴子役を演じた。09年の水田伸生監督「なくもんか」では、幼い頃に父親に捨てられたお人よしな惣菜店店主（阿部サダヲ）を振り回す厄介な妻をコミカルに演じる。蒼井優、鈴木京香ら人気女優が共演し、昭和から平成の日本の女性たちの人生を描いた小泉徳宏監督「FLOWERS」10では、大沢たかお演じる大学教授の夫を愛し続ける幸せな専業主婦役。星護監督「僕と妻の1778の物語」11では、草彅剛演じるSF作家を献身的に支えてきた余命いくばくもない妻役に扮した。11年秋公開予定の三谷幸喜監督の法廷コメディ「ステキな金縛り」では、殺害された資産家夫人とその双子の妹の二役に挑戦する。この間の08年に中村獅童と離婚。シングルマザーとして息子を育てながら、以前と変わらぬ人気を維持して、フジテレビ『薔薇のない花屋』08、『夏の恋は虹色に輝く』10などのテレビドラマでもヒロインをつとめる。同局の単発ドラマ『ストロベリーナイト』10で演じた連続猟奇殺人事件の捜査にあたる男勝りの女性刑事役も印象深い。09年にはアメリカABCのドラマ『フラッシュフォワード』に自らの将来に悩んで単身渡米した日本人女性・ケイコ役で出演し、海外デビューも果たした。2020年9月27日、東京都渋谷区の自宅で自死と思われる状態で発見され、搬送先の病院で死亡が確認された。享年40歳。