7歳の頃より劇団東俳に所属し、子役として活躍した。1995年5月、連続テレビ小説『春よ、来い』（NHK）でデビューする。同年より『3年B組金八先生』（TBS） に、金八先生の娘・坂本乙女役でレギュラー出演。1997年には、昼ドラマ『WHO!?』（TBS）で連続テレビドラマ初主演。1998年には『虹をつかむ男・南国奮闘篇』で映画に初出演した。
1999年頃、芸名を本名の「星野真理」から「星野真里」に改名した。
2000年、JR東海の「X'mas Express2000」第6代ヒロインに選ばれる。2001年には、『新・星の金貨』（日本テレビ）で直前に降板した鈴木あみに代わって主演に抜擢され、主題歌「ガラスの翼」でCDデビュー。2002年には『人にやさしく』（フジテレビ）に出演した。
台詞の多い役や気の強い役、コミカルな役などもそつなくこなし、『大奥　第一章』（フジテレビ）や『茂七の事件簿 ふしぎ草紙』（NHK）など（特に東映製作の）時代劇にも活動の場を広げ、若手演技派女優として活躍している。
2005年の『さよならみどりちゃん』で映画初主演を果たす。同作品でそれまでの清純なイメージを覆し、バストトップを露わにしたオールヌードで濡れ場にも挑戦した。その体当たりの演技などが評価され、第27回ナント三大陸映画祭で主演女優賞を受賞した。
2007年、『サムシング・スイート』で舞台初主演。2010年には、初エッセイ『星野真里の地味な生活』（朝日新聞出版）を出版した。
2011年9月1日、かねてより交際していたTBSアナウンサーの高野貴裕と結婚したことを自らのブログで発表した。

* 極度のあがり症である。テレビでのフリートークやバラエティ番組は苦手であり、話す声も小さく「司会者泣かせ」とされている。しかし近年そのたどたどしく話す仕草などが有名となり、バラエティ番組への出演が増えてきている。本人は、24歳の時に『踊る!さんま御殿!!』に出演して、さんまに面白いと思ってもらい、さんまの他の番組にも呼ばれるようになったことが、バラエティへの出演が増えたことのきっかけになったと語っている。
* 『あっぱれ!!さんま新教授』でマラソン完走学を取り上げた時の発言がきっかけとなって、2008年12月14日に行われたホノルルマラソンに出場、目標としていた3時間45分には届かなかったが、4時間24分36秒で完走した（女性参加者674位、女性25-29歳の部88位）。
* 仲の良い広田レオナの誕生パーティを主催したが、主賓であるはずの広田に欠席された。これは、広田本人に連絡がなかったためで、広田本人は『ライオンのごきげんよう』（フジテレビ）出演時の「COROZOクエスチョン」で質問されるまで気がついていなかった。

* 伝説のワニ・ジェイク（2002年） - シルビア・ホー 役（声優）
* 死に花（2004年） - 井上和子 役
* 感染（2004年） - 安積まどか 役
* さよならみどりちゃん（2005年） - 主演・ゆうこ 役
* MAZE マゼ（2006年） - 佐藤満里 役
* 大奥（2006年） - 部屋子 役
* ケータイ刑事 THE MOVIE2 石川五右衛門一族の陰謀～決闘!ゴルゴダの森（2007年） - 石川小百合 役
* 60歳のラブレター（2009年） - 橘マキ 役
* 私は猫ストーカー（2009年） - 主演・ハル 役
* 今日からヒットマン（2009年） - 稲葉美沙子 役
* 空気人形（2009年） - OL・美希 役
* 携帯彼氏（2009年） - 浅沼美紀 役
* 交渉人 THE MOVIE タイムリミット高度10,000mの頭脳戦（2010年） - 堂ノ上由佳 役
* 失恋殺人（2010年） - 明智文代 役
* デッドボール（2011年） - 鈴木新之助 役
テレビ
連続ドラマ
* 君の名は（1991年8月、NHK、第105話） - 美代子 役
* 外科医柊又三郎（1995年7月、テレビ朝日、第2話） - 大杉沙織 役
* しくじり鏡三郎（1999年7月、NHK、第16話） - おとわ 役
* 京都迷宮案内 第2シリーズ（2000年3月、テレビ朝日、第9話） - 望月妙子 役
* 独身3!!（2003年11月、テレビ朝日、第6話） - 亜湖 役
* 離婚弁護士II～ハンサムウーマン～（2005年6月、フジテレビ、第9話） - 北詰麻紀 役
* 夜王～YAOH～（2006年1月、TBS、第2話） - 千春 役
* 家族～妻の不在・夫の存在～（2006年11月-12月、朝日放送・テレビ朝日、第6-7話） - 森田さやか 役
* 八州廻り桑山十兵衛～捕物控ぶらり旅（2007年5月、テレビ朝日、第1話） - おさわ 役
* よろずや平四郎活人剣（2007年5月、テレビ東京、第3話） - おもん 役
* 警視庁捜査一課9係 第2シリーズ（2007年6月、テレビ朝日、第7話） - 鈴里奈緒 役
* 刺客請負人（2007年8月、テレビ東京、第6話） - のえ 役
* さくら署の女たち（2007年9月、テレビ朝日、第9話） - 増井紀代 役
* ケータイ刑事 銭形海 2ndシリーズ（2007年12月1日、BS-i、第9話） - みどり（怪盗マリン） 役
* 幻十郎必殺剣（2008年1月、テレビ東京、第2話） - お歌 役
* 刑事の現場（2008年3月、NHK、第4話） - 竹内日出子 役
* キミ犯人じゃないよね?（2008年4月、テレビ朝日、第3話） - 君津奈々 役
* その男、副署長～京都河原町署事件ファイル～ 第2シリーズ（2008年8月、テレビ朝日、第7話） - 田村理香子 役
* ハンチョウ～神南署安積班～（2009年4月、TBS、第2話） - リサ 役
* メイド刑事（2009年8月、テレビ朝日、第8話） -　椿沙織 役
* ケータイ刑事 銭形命（2009年8月29日、BS-TBS、第9話「恋愛泥棒マリン再び現る!～謎の怪盗予告事件」） - ミス・リー（怪盗マリン） 役
* 浅見光彦～最終章～（2009年12月16日、TBS、最終話） -　野沢光子 役
* 警視庁失踪人捜査課（2010年6月11日、朝日放送・テレビ朝日、最終話） - 矢沢翠 役
* 天使の代理人 エピソード1（2010年9月6日 - 9月14日、東海テレビ）　- 佐藤有希恵 役
* 医龍-Team Medical Dragon-3（2010年11月25日、フジテレビ、第7話） - 佐藤理恵 役
* 龍馬伝（2010年11月28日、NHK、大河ドラマ 、最終話）　- 近江屋スミ 役
* FACE MAKER（2010年12月9日、読売テレビ、第10話）- 柏木さとみ → 杉原マリエ　役
* 遺留捜査（2011年6月1日、テレビ朝日、第8話） - 水嶋容子 役
単発ドラマ
* 世にも奇妙な物語「23分間の奇跡」（1991年12月26日、フジテレビ）
* 領収書物語3「恥ずかしくて」（1994年12月26日、関西テレビ）
* 検事調書の余白「花ことば」（1996年1月14日、BS2）
* TOKYO23区の女「文京区の女」（1996年4月12日、フジテレビ） - 主演・河野ときこ 役
* あかね雲（1999年8月5日、毎日放送） - 玉村美保 役
* "おっは～"は世界を救う!（2001年1月8日、フジテレビ） - ミホ 役
* プラトニックセックス17歳の青春編・20歳の純愛編（2001年9月24日・28日、フジテレビ） - 主演・須川加奈（遠藤愛(飯島愛)） 役
* 女子刑務所東三号棟3（2001年9月30日、TBS） - 原島リカ 役
* 怪談百物語「耳なし芳一」（2002年10月22日、フジテレビ） - かる 役
* 成りあがり（2002年11月23日、フジテレビ） - 川口里美（永吉の妻） 役
* 恋とおしゃれと男のコ（2002年12月7日、BS-i） - 主演・宮園さち 役
* 赤ひげ（2002年12月28日、フジテレビ） - お杉 役
* 恋する日曜日 ファーストシリーズ「ウェディング・ベル」前編・後編（2003年4月6日-13日、BS-i） - 主演・吉野さくら 役
* 松本清張サスペンス特別企画・霧の旗（2003年9月16日、TBS） - 柳田桐子 役
* 大奥スペシャル～幕末の女たち～（2004年3月26日、フジテレビ） - 雪江 役
* やがて来る日のために（2005年5月6日、フジテレビ「金曜エンタテイメント」） - 上田由紀 役
* 恋する日曜日 セカンドシリーズ 第9話「バージン・ロード」（2005年5月29日、BS-i） - 主演・犬山弥生 役
* 二十四の瞳（2005年8月2日、日本テレビ） - 山石早苗 役
* 金田一少年の事件簿 ～吸血鬼伝説殺人事件～（2005年9月24日、日本テレビ） - 湊青子 役
* 名探偵赤冨士鷹 第2話（2005年12月30日、NHK） - 羽立瑠璃子 役
* 黒いバッグの女（2006年1月5日、テレビ朝日） - 古川薫 役
* 風林火山（2006年1月8日、テレビ朝日） - 於琴姫 役
* 警視庁三係・吉敷竹史シリーズ2 灰の迷宮（2006年1月16日、TBS「月曜ミステリー劇場」） - 茂野恵美 役
* 松本清張スペシャル・指（2006年2月21日、日本テレビ） - 鈴木香織 役
* 4 Stories 4 Roades「デートスカウトの彼女」（2006年7月8日、BS日テレ） - 主演・メグミ 役
* 強き蟻（2006年7月19日、テレビ東京「水曜ミステリー9」） - 宮原素子 役
* 十津川警部シリーズ37 特急あずさ殺人事件（2006年10月2日、TBS「月曜ゴールデン」） - 新井優子 役
* 関ジャニ∞青春ドラマシリーズ「ダブル～複体～」（2006年12月28日、関西テレビ） - 清野美月 役
* ひとりぼっちの君へ（2007年2月16日、毎日放送） - 高原絢 役
* 法医学教室の事件ファイル24（2007年2月24日、テレビ朝日「土曜ワイド劇場」） - 中谷梓 役
* 必殺仕事人2007（2007年7月7日、朝日放送・テレビ朝日） - 佐知 役
* 不倫調査員・片山由美9 黒髪人形・尼寺殺人事件（2007年9月19日、テレビ東京「水曜ミステリー9」） - 川島早苗 役
* 浅見光彦シリーズ24 漂泊の楽人（2007年10月15日、TBS「月曜ゴールデン」） - 漆原肇子 役
* 結婚詐欺師（2007年11月18日、WOWOW「ドラマW」） - 曽田理恵 役
* 点と線（2007年11月24日、テレビ朝日） - 仲居 役
* 吉原炎上（2007年12月29日、テレビ朝日） - 浅井雪乃（白妙） 役
* 徳川風雲録 八代将軍吉宗（2008年1月2日、テレビ東京「新春ワイド時代劇」） - 春菜 役
* 今日は渋谷で6時（2008年1月5日、フジテレビ） - 成瀬幸 役
* 徳川家康と三人の女（2008年3月15日、テレビ朝日） - 淀殿（茶々） 役
* 奥様は警視総監3（2008年7月11日、フジテレビ「金曜プレステージ」） - 藤和水樹 役
* ヒットメーカー 阿久悠物語（2008年8月1日、日本テレビ） - 山口百恵 役
* 恋のから騒ぎ ～Love StoriesV～「電報を打つ女」（2008年10月10日、日本テレビ） - さおり 役
* the波乗りレストラン（2008年11月1日-9日、日本テレビ） - もぐたん 役
* 男装の麗人～川島芳子の生涯～（2008年12月6日、テレビ朝日） - 婉容 役
* 博多 はたおと（2008年12月12日〔全国放送2009年2月11日〕、NHK福岡「福岡発地域ドラマ」） - 主演・柴田春子 役
* 終着駅の牛尾刑事VS事件記者・冴子8 致死海流（2008年12月20日、テレビ朝日「土曜ワイド劇場」） - 宇根沢望 役
* 寧々～おんな太閤記（2009年1月2日、テレビ東京「新春ワイド時代劇」） - やや 役
* 松本清張生誕100年特別企画 黒の奔流（2009年3月4日、テレビ東京「水曜ミステリー9」） - 横山リエ 役
* 断絶（2009年10月3日、テレビ朝日） -　相澤沙希 役
* ハッピーバースデー（2009年11月21日、フジテレビ） - 星なつき 役
* 山峡の章（2010年1月29日、フジテレビ「金曜プレステージ」） - 朝川伶子 役
* 剣客商売スペシャル -道場破り-（2010年2月5日、フジテレビ「金曜プレステージ」） - おしの役
* やまない雨はない（2010年3月6日、テレビ朝日） - 倉嶋泰子（青年期） 役
* アザミ嬢のララバイ 第2話「愛を、更新する。」（2010年4月28日、毎日放送） - 主演・岩瀬織江 役
* 交渉人 遠野麻衣子・最後の事件（2010年6月26日、テレビ朝日「土曜ワイド劇場」）- 木下美也子 役
* 検事・朝日奈耀子10 （2011年2月12日、テレビ朝日「土曜ワイド劇場」） - 塩屋奈津子 役
* 警視庁鑑識課～南原幹司の鑑定～（2011年3月28日、TBS「月曜ゴールデン」） - 小山内春佳 役
* 浅見光彦シリーズ40「棄霊島」（2011年5月6日、7日、フジテレビ「金曜プレステージ」） - 宇津野ゆかり役
* 11文字の殺人（2011年6月10日、フジテレビ「東野圭吾3週連続スペシャル」） - 萩尾冬子役
* 外科医 鳩村周五郎8（2011年7月1日、フジテレビ「金曜プレステージ」） - 胡桃沢綾乃 役
* 司法教官・穂高美子（2011年9月3日、テレビ朝日「土曜ワイド劇場」） - 豊岡薫 役
* 光る壁画（2011年10月1日、テレビ朝日「オリンパスドラマスペシャル」） - 松浦安代 役
その他テレビ番組
* まんが日本史（NHK、1992年-1993年）
* 風になる（TBS、2003年-2006年）ナレーション
* 101回目のベタポーズ（2006年4月5日、日本テレビ「くりぃむしちゅーのたりらリラ～ン」内のドラマ） - ベタ美 役
* 恋する幸せスイーツ（BSフジ、2006年-）ナビゲーター
* あっぱれ!!さんま新教授（フジテレビ、2007年-2009年）準レギュラー
* 元気家族テレビ となりのマエストロ（毎日放送、2009年-2010年）レギュラー
* 女優力 第1話「舞台袖の女」（2010年1月9日、日本テレビ）
DVDドラマ
* 東京フレンズ（2005年、第1話） - 木内暁美 役
* pieces of love vol.2「わかばちゃん」（2008年） - 主演・わかば 役
WEB配信ドラマ
* ラブ・コレ 東京Love Collection（2006年、GyaO）- 川野のりこ 役
* 魔法使いのLesson（2011年、NTTドコモ動画） - 主演・千歳 役
舞台
* サニー・コースト・セレナーデ ～美鼻島小学校ビッグバンドの復活～（1999年、泪目銀座） - 星野アカリ役
* 卒業 THE GRADUATE（2004年） - エレーン 役
* お父さんの恋－Family Tale－（2005年、PARCO劇場＋サードステージ） - 深谷さおり 役
* サムシング・スイート（2007年、PARCO劇場） - 主演・水上香織 役
* 春子ブックセンター（2008年、シアターBRAVA!） - 馬場麗子 役
* ゼブラ（2009年6月、シアタークリエ・帝国劇場） - 次女・奈央 役
* 晩秋 （2009年11月、明治座、作・演出：マキノノゾミ） - 上原清子（若い時代） 役
* 博覧会（2010年4月、PARCO劇場） - 蝶子 役
* ポテチ（2010年10月、こどもの城青山円形劇場） - 主演・大西若葉 役
* ニッポン無責任新世代（2011年7月、シアタークリエ） - 佐野愛子 役
** 他にも、『レインボー通りの人々』、『オズの魔法使い』などに出演
コマーシャルフィルム
* 1995年以前
** 大塚食品「ボンカレー」
** 常陽銀行
** ヤマハ「エレクトーン」
** 明治製菓「チョコレート」
** 東芝「情報通信機器」
** 日本コカ・コーラ「スプライト」
** ツクダオリジナル「Firstmamaシリーズ」「カラーリスト似顔絵電子手帳」「似顔絵電子手帳」
** ジョンソン&ジョンソン「ジャバ」
** 三洋電機「時短ビデオ」
** シャープ「液晶ビューカム」
** サンゲツ
** 日本ケンタッキーフライドチキン
** アリコジャパン（印刷媒体）
** 不二家「シュークリーム」
** コカ・コーラ「ときめきシリーズ　ファーストキス」篇
* 東芝 「ダイナブック」、「リブレット」　1999年11月 - 2000年10月
* JR東海 「X'mas Express2000」（※X'mas限定） 2000年12月
* 資生堂 「SEA BREEZE」 2001年2月～2002年1月
* 日本道路公団 「中央道集中工事」 2001年9月～11月
* 日清オイリオ 「植物のチカラ」篇、「キッチン」篇、「自転車」篇 2002年4月 - 2005年3月
* For-side.com 「真里先生!!」篇、「マネキンファミリー」篇　2002年4月 - 2003年3月
* KDDI　au「キスしたくなる携帯電話」（フォトメール篇、ムービーメール篇） 2003年4月
* CMのCMキャンペーン「会話のない家篇」「会議室篇」 2006年8月
* ライオン「スマイルコンタクト クールフレッシュ」（超まばたき篇）、「スマイルコンタクト ドライテクト」（アレ篇） 2006年10月 - 2010年
* レオパレス21「ペットと暮らす。レオパレス」篇 2007年4月 - 10月
* NTT DoCoMo answer「社長と社員」篇 2008年5月 - 11月
* 日本銀行広報ビデオ 日本銀行の役割 2008年
* ニコレット 2010年

シングル
# ガラスの翼 ～星の金貨～（2001年6月6日）
#* 作詞・作曲：松田博幸、編曲：山尾正人
# 永遠の海 （2001年9月19日）
#* 作詞：坂元裕二、作曲：小室哲哉、編曲：Sin
#* 小室哲哉のソロシングル「永遠と名付けてデイドリーム」のカバー曲。坂元裕二によって歌詞の一部が女性の視点に改変された。
# 丘の上の物語 （2002年6月26日）
#* 作詞：坂元裕二、作曲：谷脇仁美、編曲：志熊研三
# カナシミノイロ （2002年11月13日）
#* 作詞：坂元裕二、作曲：オオヤギヒロオ、編曲：新川博
DVD
* カナシミノイロ～夢・夢のあと（2002年、監督：早川和良）　ユニバーサルミュージック

* 『月刊 星野真里』（2009年2月、撮影：藤代冥砂、新潮社） ISBN 978-4-10-790196-5
;デジタル写真集
* 『WEEKLY星野真里スペシャル写真集 VERSUS!』（2007年3月、撮影：立木義浩、WPB-net）

* 消防試験研究センター 広報ポスター（2011年）