愛知県西春日井郡新川町（現・清須市）の生まれ。本名・加藤愛。雑誌『ピチレモン』のジュニアモデルとして芸能界デビュー。1997年に木村拓哉主演のフジテレビ『ギフト』で女優としてもデビューする。98年にはNTTドコモのポケットベルのＣＭに起用され、端正なルックスで注目を浴びた。また同年の日本テレビのイメージガール“日テレジェニック”にも選ばれている。映画初出演は98年の「新宿少年探偵団」の七月響子役。99年には前田愛と共演したテレビ朝日『ベストフレンド』で連続ドラマ初主演も果たした。2000年、宮藤官九郎脚本、堤幸彦演出のTBS『池袋ウエストゲートパーク』に出演。池袋を舞台にイマどきの若者たちの生態を、ギャング抗争や殺人事件などを絡めながらポップに描いた本作で、ヒロインの渋沢ヒカルを演じた。またこの時期は、カネボウ化粧品をはじめ10社以上のCMに出演。CMタレントとしても人気を誇る。ほかドラマ出演はTBS『真夏のメリークリスマス』00、『天国に一番近い男』01、『やんパパ』02、『夫婦。』04、フジテレビ『傷だらけのラブソング』01、『君が想い出になる前に』04など多数に及ぶ。04年、羽住英一郎監督の海洋アクション映画「海猿」に出演。同名コミックの映画化で、海難救助の最前線の潜水士を目指す主人公・仙崎（伊藤英明）の恋人・伊沢環奈役を演じる。その続編となるフジテレビの連続ドラマ『海猿』05にも、引き続き環奈役で出演。翌06年には劇場版第２弾「LIMIT OF LOVE／海猿」が公開。加藤演じる環奈と仙崎との恋愛描写が女性層にも好評を得て、最終的に観客動員数530万人、興行収入71億円を突破。同年公開の邦画実写映画でナンバー１の大ヒット作となった。10年９月に公開された完結編「THE LAST MESSAGE／海猿」でも仙崎の妻で一児の母となった環奈を演じている。邦画の大作では初の３Ｄ上映となる本作は、前作を上回る興行収入80.4億円を記録した。テレビドラマの出演作はほかに、テレビ朝日『弟』04、日本テレビ『ハケンの品格』『ドリーム☆アゲイン』07、『スクラップ・ティーチャー／教師再生』08、NHK『リミット・刑事の現場２』09、フジテレビ『魔女裁判』09、『チーム・バチスタ２／ジェネラル・ルージュの凱旋』10などがある。05年に亜細亜大学国際関係学部を卒業。