京都府京都市の生まれ。父は歌舞伎役者の七代目・尾上菊五郎、母は女優・富司純子という歌舞伎の名門・音羽屋の長女として生まれる。５歳下の弟は五代目・尾上菊之助。青山学院大学文学部在学中の1992年に文学座研究所に入所、研修生となる。93年、『恋と仮面とカーニバル』で初舞台を踏み、それを見た劇作家の清水邦夫の推薦を受けて、蜷川幸雄演出『血の婚礼』93で重要な役のトランシーバー少年に抜擢された。95年、蜷川演出『近松心中物語』のお亀役で読売演劇大賞優秀女優賞、松尾芸能賞演劇新人賞を受賞。99年まで再演の度にお亀を演じ続ける。その間の96年に文学座を退団。いくつもの演劇賞を受賞し頭角を現し始めた寺島は、新派特別公演『遊女夕霧』『鹿鳴館』、坂東玉三郎演出『ふるあめりかに袖はぬらさじ』などに出演し、96年の水谷幹夫演出『華岡青洲の妻』では文化庁芸術祭賞新人賞を受賞した。97年、「奇跡の人」で大竹しのぶ演じるサリバン先生を相手にヘレン・ケラーを生のほとばしりを鮮やかに表現する。同年はほかに、久世光彦演出『新派特別公演』、釜紹人演出『常陸坊海尊』などにも出演。読売演劇大賞優秀女優賞を受賞している。さらに2002年には、蜷川幸雄演出『欲望という名の電車』でのステラの演技で、読売演劇大賞優秀女優賞、紀伊國屋演劇賞個人賞を受賞した。こうして舞台で着実に実績を積み重ねる一方で、映像ジャンルにも進出。テレビドラマは文学座入団前の89年に、母・富司純子がヒロインを演じたNHK『詩城の旅人』に本名の“寺島忍”名義でゲスト出演したのが最初だが、本格的な初出演となったのは93年のNHK大河ドラマ『琉球の風』。尾上菊五郎、富司純子との家族共演となり、琉球王国の姫を演じた。94年のテレビ東京『あにいもうと』では両切り煙草を吸っている女給を演じ、演技の幅広さを見せている。以降もNHK『八代将軍吉宗』95、『北条時宗』01、テレビ朝日『愛しすぎなくてよかった』98、TBS『ラブとエロス』98などのテレビドラマに出演。また、映画初出演となった水野晴郎監督「シベリア超特急２」00を経て、03年、車谷長吉の直木賞小説が原作の荒戸源次郎監督「赤目四十八瀧心中未遂」に主演する。背中一面に迦陵頻伽の入れ墨を入れた姿をさらすシーンやセックスシーンなどがあり、母が止めるのを振り切って自ら出演を決め、下層の暮らしを送る主人公をここではない世界へと誘う濃密な魅力を持った女・綾を演じた。この年はさらに、赤坂真理原作の廣木隆一監督「ヴァイブレータ」もあり、こちらは偶然出会った長距離運転手のトラックに乗って短い旅をする女・早川玲役。フリーライターの仕事をするうちに他人の思考や言葉に精神を支配されていく玲が、男と体を交わすことで次第に解放され、本能がほどけていくさまを生々しく演じた。この２作の演技により、キネマ旬報賞、毎日映画コンクール、日本アカデミー賞、ブルーリボン賞、報知映画賞、日刊スポーツ映画大賞、ヨコハマ映画祭と国内の主要映画賞のほとんどで主演女優賞を獲得。キネマ旬報賞は新人女優賞とのダブル受賞となり、ほかに東京国際映画祭最優秀主演女優賞、エランドール賞新人賞も受賞している。以後も源高志監督「tokyo tower」05、廣木監督「やわらかい生活」06、鶴橋康夫監督「愛の流刑地」07など、愛に生きる女性の姿を心と体の両面から演じていくことへ圧倒的な力を見せつける。08年の矢口史靖監督「ハッピーフライト」ではプロフェッショナルなキャビンアテンダント役、佐藤裕市監督「守護天使」09ではパワフルな鬼嫁役などライトな作品にも出演している。さらには、若松孝二監督「キャタピラー」10に、戦争で手足を失った夫を献身的に介護する妻・シゲ子役で主演。最初は夫の言いなりになっていたシゲ子だが次第に状況が逆転していき、変わり果てた夫に嫌悪を抱きながら、軍神の妻としての誇りを支えに耐える姿、そして、だんだんと夫へ嗜虐的な感情を持っていく演技のプロセスが鮮烈だった。この作品でベルリン国際映画祭の最優秀女優賞を受賞。一方、舞台でも活躍は続き、04年の『新・近松心中物語／それは恋』で尊敬していた女優・太地喜和子の当たり役だった遊女・梅川を演じる。文学座研究所の同期だった内野聖陽と共演したジョン・ケアード演出『私生活』08では、文化庁芸術祭賞優秀賞を受賞。その他の舞台出演作に、永井愛演出『書く女』06、行定勲演出『フールフォアラブ』07、グレゴリー・ドーラン演出『ヴェニスの商人』07、蜷川演出『血は立ったまま眠っている』10、松本祐子演出『やけたトタン屋根の上の猫』10、鈴木裕美演出『TOP GIRLS』11などがある。テレビドラマはほかに、男勝りな女剣客を演じたフジテレビの人気時代劇シリーズ『剣客商売』03～05や、NHK大河ドラマ『武蔵／MUSASHI』03、連続テレビ小説『純情きらり』06、日本テレビ『おとなの夏休み』05、テレビ朝日『四つの嘘』08など。10年のNHK大河ドラマ『龍馬伝』では龍馬の姉を生活力豊かに演じ、同局『TAROの塔』11では、主人公・岡本太郎の母・かの子というエネルギッシュな女性を演じている。私生活では07年、日本在住のフランス人アート・ディレクター、ローラン・グナシアと結婚。