2005年に出演した「インテル」のCMは放映期間が延長されるほど問い合わせが殺到し注目を集める。2006年公開の『シムソンズ』で映画デビュー。同年には第88回全国高等学校野球選手権大会の朝日新聞のポスター及び、ビクター・甲子園ポスターキャンペーンのイメージキャラクターに抜擢された。 2012年から本格的に韓国での活動を開始し、日本と韓国を行き来して活躍。「私たち結婚しました 世界版などで世界での人気が高まっている。2014年、映画『女子ーズ』に出演し、大ヒットとなった。

2004年、三井不動産のCM「三井のリハウス」に11代目リハウスガールとして出演。ドラマ「ケータイ刑事シリーズの第4作「ケータイ刑事　銭形零の主演を務め、劇場版2作品にも出演。映画初主演作『天然コケッコー』では、第31回日本アカデミー賞新人俳優賞など、数々の新人賞を受賞。是枝裕和監督の『海街diary』では、綾瀬はるか、長澤まさみ、広瀬すずとともに主人公の姉妹を演じ、第39回日本アカデミー賞優秀助演女優賞を受賞した。その後の出演作に『22年目の告白　私が殺人犯です』や、TVドラマ「架空OL日記」「東京ヴァンパイアホテル」などがある。

1974年、『恋は緑の風の中』でデビューして以降、映画、ドラマ、舞台と幅広く活躍。1976年『大地の子守歌』、『青春の殺人者』で主演し、10代でキネマ旬報主演女優賞、ブルーリボン賞新人賞など9つの映画賞を受賞。『ミスター・ミセス・ミス・ロンリー』では、製作・原案・脚本・主演を務めた。1985年には黒澤明監督の『乱』に抜擢。その後も『火宅の人』、『雨あがる』で、日本アカデミー賞最優秀助演女優賞、『絵の中のぼくの村』で、キネマ旬報主演女優賞、『愛を乞うひと』では、母と娘の二役を演じ、日本アカデミー賞最優秀主演女優賞など数多くの賞を受賞している。

2002年三池崇史監督『桃源郷の人々』で映画デビュー。以降ドラマ・CM・映画に次々と出演。2004年タナダユキ監督『月とチェリー』では本編初主演を務め、注目を集める。その後、話題作に多数出演。ドラマ「時効警察シリーズにレギュラー出演し、個性を発揮。ベテランから新鋭監督まで多くの監督の作品に出演し活動の場を広げている。2006年には、吉田浩太監督『お姉ちゃん、弟といく』にて第2回シネアスト・オーガニゼーション・大阪エキシビション(CO2)女優賞を受賞。2009年、姫路市の観光大使に就任。近年では連ドラの常連といわれるほど多くの作品に出演し、バイプレーヤーとして活躍している。

2012年是枝裕和作品関西テレビ「ゴーイング マイ ホーム」で是枝裕和監督から演技を高く評価され、注目を集める。以降、『海よりもまだ深く』、『三度目の殺人』、『万引き家族』に起用される。2013年にはフジテレビ「ちびまる子ちゃん」でさくらさきこ役を演じる。2018年、映画『志乃ちゃんは自分の名前が言えない』で同年齢の南沙良とともにダブル主演を務め、映画初主演。同作での演技が評価され、第43回報知映画賞新人賞および第33回高崎映画祭最優秀新人女優賞を受賞。

乃木坂46元メンバー。2013年、TVドラマ「BAD BOYS J」のレギュラーキャストに名を連ね、同年公開の『劇場版 BAD BOYS J 最後に守るもの』にも出演。ホラー映画「アイズ」では主演を務めた。乃木坂46内でも個性的なファッションやイラストなどのセンスに定評があり、2017年10月に個展「伊藤万理華の脳内博覧会」を開催。これを機に乃木坂46を卒業。近年では、『あさひなぐ』や『映画　賭けグルイ』に出演し、女優として注目を集める。