東京都大田区の生まれ。小学生の頃からジュニアモデルの仕事を始め、1974年、中学１年の時に繊維メーカー・ユニチカの２代目マスコットガールに選出。“手塚さとみ”の芸名で雑誌、CMのモデルを続ける。都立赤坂高校卒業後に本格的に芸能活動をスタート。後藤幸一監督「正午（まひる）なり」78などに出演し、レコードも出すが、81年の写真集『少女だった』でヌードを披露してアイドルと訣別。NHK連続テレビ小説『ハイカラさん』82のヒロインに選ばれ、芸名を本名の“手塚理美”に改めて女優業に専念する。TBS『昭和四十六年・大久保清の犯罪』83ではビートたけし扮する大久保清に殺害される少女役。続いて女優としての出世作、代表作となったのが、山田太一脚本のTBS『ふぞろいの林檎たち』83である。平凡な学生の男女６人がそれぞれの生き方を模索する群像劇の中で、堅実な看護学生の水野陽子役を好演。同作はテレビ史に名を刻む作品となり、97年のパート４までシリーズ化される。以降もNHK大河ドラマ『山河燃ゆ』84、日本テレビ『このままじゃ、ボクの将来知れたもの』86など順調にキャリアを積み、86年に熊谷勲監督「ユーパロ谷のドンベーズ」、松田優作監督・主演「ア・ホーマンス」で久しぶりに映画出演。後者でのやくざ（石橋凌）の恋人役を清楚に演じる意外性は、松田優作の類型パターンを破る演出とともに評判を呼ぶ。藤田敏八監督「リボルバー」88などに出演後、90年に俳優の真田広之と結婚。二男をもうける。しばらくは家庭優先で仕事をセーブしていたが、97年に真田と離婚してから本格的に活動再開。日本テレビ『ハルモニア・この愛の涯て』98、『一番大切な人は誰ですか？』04、テレビ東京『それぞれの断崖』00、TBS『世界の中心で、愛をさけぶ』04などのテレビドラマで、コンスタントに活躍を続ける。90年代は離れていた映画も、水谷俊之監督「ISOLA／多重人格少女」00、石井克人監督「茶の味」04、小田一生監督「笑う大天使（ミカエル）」06などを経て、近年も萩生田宏治「神童」07、山崎貴監督「ALWAYS／続・三丁目の夕日」07、廣木隆一監督「余命１ヶ月の花嫁」09など出演機会を増やしている。