映画『スウィングガールズ』や『夜のピクニック』、NHK大河ドラマ『風林火山』などへ出演した後、2007年、NHKの連続テレビ小説『ちりとてちん』で、1864人が応募したオーディションに選ばれ初主演。2008年、「エランドール賞新人賞」を受賞。
2008年度上半期には、『ちりとてちん』に引き続き、『キミ犯人じゃないよね?』、『あんどーなつ』と、民放の連続ドラマでも2クール続けて主演。また、『アジアンスマイル』などの番組でナレーションを務める。2009年には、チェコのアニメ映画『屋根裏のポムネンカ』や、NHKの連続人形劇『新・三銃士』で声優を務め、自身の冠番組であるTOKYO FMのラジオドラマ『貫地谷しほりのラジオ劇団・小さな奇跡』では座長（主演とナビゲーター）を務める。2010年には、舞台『余命1ヶ月の花嫁』で主演、The Beauty Week Awardを受賞、また、7社のCMに出演するなど、さらに活躍の場を広げている。

NHKの連続テレビ小説『ちりとてちん』で共演した渡瀬恒彦からは、「女優になるために生まれたような子。頭が良いし、体も神経もタフだし、感受性が豊かで表現が的確。私のライバルです。」と評価された。渡瀬本人の要望でドラマ『おみやさん』へのゲスト出演も果たし、再会を祝っている。
作家の小林信彦は週刊文春連載コラム（のち単行本『B型の品格』に収録）で『キミ犯人じゃないよね?』を絶賛、特に貫地谷のコメディエンヌぶりは海外ドラマでも比類がないとまで絶賛した。それ以降も彼女への言及が多い。
漫画好きでもあり、『それいけ!アンパンマン』『美少女戦士セーラームーン』や『ガラスの仮面』『天才ファミリー・カンパニー』などを愛読している。
映画『スウィングガールズ』で共演した本仮屋ユイカ、映画『ジェネラル・ルージュの凱旋』、『ゴールデンスランバー』で共演した竹内結子、ドラマ『ブザー・ビート～崖っぷちのヒーロー～』で共演した北川景子とは親友。やはり親しいLISSAは高校の同級生で所属事務所も同じ。
大の筋肉フェチである。大河ドラマ『龍馬伝』で初めて上半身の裸を披露した共演者であり主演の福山雅治に対し、ヘラクレスと評した。
憧れの女優は、舞台『労働者M』で共演した秋山菜津子（「週刊朝日」のカバーインタビューより）。2008年主演ドラマ『あんどーなつ』で共演した風吹ジュンに対しても「女優としての展望が持てた」と敬意を表している。
2007年9月に行われた連続テレビ小説のバトンタッチセレモニーでは、前作『どんど晴れ』のヒロインを務めた比嘉愛未に若狭塗箸を贈り、比嘉からは南部鉄器を贈られた。その際、比嘉から「ファンです」と告白された。また、2008年2月に行われた連続テレビ小説のバトンタッチセレモニーでは、次作の『瞳』のヒロインを務めた榮倉奈々に扇子と手ぬぐいを贈り、榮倉からはキャップとストリートダンスの衣装一式を贈られた。その際、榮倉に「とにかく寝ること」とアドバイス。会見では、ドラマを通じて落語家や木村祐一など笑いのプロからサービス精神を学んだと胸を張り、最初よりは喋れるようになりました、と笑いを誘った。

「しほり」は母がファンというサザンオールスターズの「栞(しおり)のテーマ」に因んだ名前。当時は人名に漢字の「栞」を使用出来ず、かな表記が好ましいという姓名判断をうけ「しほり」で届出がされた経緯がある。

* 大奥～華の乱～（2005年10月 - 12月、フジテレビ） - 染子 役
* 大河ドラマ / 風林火山（2007年1月 - 4月、NHK） - ミツ 役
* 花より男子2（リターンズ）（2007年1月 - 2月、TBS） - 日向更 役
* 連続テレビ小説 / ちりとてちん（2007年10月 - 2008年3月、NHK） - 主演・和田喜代美/青木喜代美（徒然亭若狭） 役
* キミ犯人じゃないよね?（2008年4月 - 6月、テレビ朝日） - 主演・森田さくら 役
* あんどーなつ（2008年7月 - 9月、TBS） - 主演・安藤奈津 役
* ラブシャッフル（2009年1月 - 3月、TBS） - 香川芽衣 役
* ブザー・ビート～崖っぷちのヒーロー～（2009年7月 - 9月、フジテレビ） - 海老名麻衣 役
* まっすぐな男（2010年1月 - 3月、関西テレビ） - 町田佳乃 役
* 大河ドラマ / 龍馬伝（2010年1月 - 7月、NHK） - 千葉佐那 役
* 警部補　矢部謙三（2010年4月 - 5月、テレビ朝日） - 桂美晴 役
* バーテンダー（2011年2月 - 4月、テレビ朝日） - 来島美和 役
* 遺留捜査（2011年4月 - 6月、テレビ朝日） - 織田みゆき 役
* 華和家の四姉妹（2011年7月 - 9月、TBS） - 華和桜子 役
単発・ゲスト
* 金曜エンタテイメント / お局探偵亜木子&みどりの純情事件帳5（2002年6月28日、フジテレビ） - 坂井里佳 役
* さよなら、小津先生（2004年11月26日、フジテレビ） - 田口ユリア 役
* 信長の棺（2006年11月5日、テレビ朝日） - 小鶴 役
* 氷点（2006年11月26日、テレビ朝日） - 相沢順子 役
* 山野愛子物語（2006年12月5日、日本テレビ） - 田所はる 役
* 大奥スペシャル～もうひとつの物語～（2006年12月29日、フジテレビ） - おしの 役
* イヴの贈り物（2007年8月5日、WOWOW） - 中沢恵子 役
* スシ王子! 第5 - 6話（2007年8月、テレビ朝日） - 浅葱ユリ 役
* 被取締役新入社員（2008年3月31日、TBS） - 工藤沙紀 役
* 猟奇的な彼女 第4 - 6話（2008年5月、TBS） - 野々村雪乃 役
* アベレイジ2（2008年10月10日、フジテレビ） - 小中 役
* おみやさん（第6シリーズ） 第2話「父を返して! 京都の秋に響く娘の叫び!!」（2008年10月30日、テレビ朝日） - 後藤ゆき 役
* 警官の血（2009年2月、テレビ朝日） - 安城順子 役
* 就活のムスメ（2009年3月27日、テレビ朝日） - 主演・宮城のばら 役
* 必殺仕事人2009 第16話「食品偽装」（2009年5月15日、朝日放送・テレビ朝日） - 志乃 役
* 土曜ワイド劇場 / 森村誠一の棟居刑事 愛犬が暴く不倫四重奏!（2009年11月21日、テレビ朝日） - 神林一子 役
* 0号室の客 Third Story「完璧な男」（2009年12月、フジテレビ） - 好美 役
* 輪廻の雨（2010年1月4日、フジテレビ） - 菅井愛実 役
* 新春ワイド時代劇 / 戦国疾風伝 二人の軍師 秀吉に天下を獲らせた男たち（2011年1月2日、テレビ東京） - 楓 役
* 味いちもんめ（2011年1月8日、テレビ朝日） - 安達真由美 役
* 恋するキムチ（2011年2月18日、NHK岐阜・2011年5月4日、全国放送） - 主演・伴野みのり 役
* 土曜ワイド劇場 / 森村誠一の棟居刑事 目撃美女は二度死ぬ?（2011年7月30日、テレビ朝日） - 神林一子 役
* MBS開局60周年スペシャルドラマ『花嫁の父』（2011冬、MBS・TBS系）-
映画
* 修羅の群れ（2002年） - 稲原秋子 役　※デビュー作品
* 惨劇館 夢子（2002年） - 奥矢月子 役
* 3↓1/2（ミクダリハン）（2002年） - はるか 役
* SURVIVE STYLE5+（2004年） - 小林果歩 役
* スウィングガールズ（2004年9月11日公開） - 斉藤良江 役
* 死霊波（2005年） - 長尾瑠奈 役
* KARAOKE -人生紙一重-（2005年） - 井上祥子 役
* 探偵事務所5（2005年） - 宍戸瞳 役
* 最終兵器彼女（2006年） - アケミ 役
* ナイスの森～The First Contact～（2006年） - ンーギャバ 役
* 夜のピクニック（2006年） - 後藤梨香 役
* 愛の流刑地（2007年） - 村尾高子 役
* 神童（2007年4月21日公開）- 賀茂川香音 役
* 彩恋 SAI-REN（2007年8月4日公開） - 広瀬葫子（ココ）役
* 包帯クラブ（2007年9月15日公開） - 丹沢志緒美（タンシオ）役
* ALWAYS 続・三丁目の夕日（2007年11月3日公開）- メリー 役
* 青空のルーレット（2007年11月3日公開） - 栗田加奈子 役
* パコと魔法の絵本（2008年9月13日公開） - サオリちゃん・女子社員 役
* ジェネラル・ルージュの凱旋（2009年3月7日公開） - 如月翔子 役
* THE CODE/暗号（2009年5月9日公開） - 宍戸瞳 役
* ノーボーイズ,ノークライ（2009年8月22日公開） - 敦子 役
* 僕らのワンダフルデイズ（2009年11月7日公開） - 藤岡和歌子 役
* ゴールデンスランバー（2010年1月30日公開） - 凛香 役
* パレード（2010年2月20日公開） - 大河内琴美 役
* 僕達急行 A列車で行こう（2012年春公開予定） - あずさ 役
声の出演
* 屋根裏のポムネンカ（チェコ人形アニメ映画、2009年8月1日公開） - 主人公・ポムネンカ 役
* 連続人形活劇 新・三銃士（2009年10月 - 2010年5月、NHK教育） - コンスタンス 役
* RAINBOW-二舎六房の七人-（2010年4月 - 7月、日本テレビ） - 小池節子 役
CM
* テクモ：「零～ZERO」（2001年）
* もち吉：「希林あげ」（2002年 - 2003年）
* 東京電力：「プルサーマル計画」（2002年 - 2003年）
* ボーダフォン：「週末の恋人たち編」（2003年）
* アットホーム：「ツナガルコト」（2003年）
* カルビー：「ア・ラ・ポテト」（2004年）
* ミツカン：「酢ラダ編」「のっけずし編」（2004年）
* ケンタッキーフライドチキン：「1000円パック チキンの食べ方いろいろ編」（2006年）
* NTTドコモ：「ドコモショップ店員 モモコ 役」（2006年9月 - 2008年3月）
* 三菱東京UFJ銀行：
** 「コンビニATM利用手数料無料ストレートトーク予告編」（2007年3月）
** 「ディズニー通帳編」（2007年9月 ナレーションのみ）
** 「がんばれ!フレッシャーズ」キャンペーン（2008年3月）
* 銀座和真：「教授会編」「大事なこと編」「見つかるでしょう編」（2007年4月 - 2009年3月）
* ユーキャン：「2010年ユーキャンブランドキャンペーン」（2010年1月 - 12月）
* 三幸製菓：「三つの幸せ物語」（2010年1月 - 12月）
* 国民年金基金連合会：「国民年金基金 イメージキャラクター」（2010年4月 - ）
* 北陸電力・北陸電力リビングサービス：「オール電化住宅 イメージキャラクター」（2010年4月 - ）
* 任天堂：「ニンテンドーDS トモダチコレクション」（2010年5月）
* 花王：
**ビオレ 洗顔フォーム 「ホメられ肌のつくり方」（2009年11月 - ）
**ビオレ パーフェクトオイル （2010年9月 - ）
**ビオレ マシュマロホイップ（2011年2月 - ）
**ロリエ (2011年9月 - )
* 大関：「ワンカップ大関 貫地谷しほりとサシ飲み」（2010年9月 - ）
* 第一三共：「ロキソニンS」（2011年1月 - ）
舞台
* 新築HIMAWARI-A日記（2004年6月）
* 理由なき反抗（2005年4月）
* 労働者M（2006年2月）
* 余命1ヶ月の花嫁（東京 2010年6月15日-27日　大阪 7月2日-4日） - 主演・長島千恵 役
* 泣き虫なまいき石川啄木（2011年10月7日～10月30日）- 石川節子 役
ラジオ
* SCHOOL OF LOCK! / GIRLS LOCKS! 5週目担当（2005年10月31日 - 2006年2月2日、TOKYO FM）
* ラジオ劇団『小さな奇跡』 2008年12月放送回担当（2008年12月1日 - 12月31日、TOKYO FM）
* 貫地谷しほりのラジオ劇団・小さな奇跡（2009年10月1日 - 2010年3月31日、TOKYO FM）
*: “座長”で再出演となった冠番組全104話。
* ASIENCE SPIRIT OF ASIA（J-WAVE）
** ASIAN COLOR（2005年11月27日・12月4日）
** ASIAN SESSION（2009年11月1日）
PV
* レミオロメン「南風」
** 初回盤はCD-EXTRAでビデオクリップが収録される。映画『亀は意外と速く泳ぐ』の主題歌。
* ラムジ「イチラムジ/キミと月までも」
* ohana「予感」
* 榎本くるみ「打ち上げ花火」
* ケツメイシ「男女6人夏物語」
* BONNIE PINK「Joy」
* FUNKY MONKEY BABYS「涙」
ナレーション
* アジアンスマイル（2008年4月6日、NHK-BS1）
* サクラガサイタ～信州のスウィングガールズ ワシントンへ行く～（2008年5月11日、BS朝日）
* ザ・ノンフィクション（2008年11月23日ほか、フジテレビ）
* にほんの里100選（2009年1月 - 3月、テレビ朝日）
* 熱中時間 忙中"趣味"あり 「熱中人FILE～岡本信人の野草～」（2009年7月11日、NHK-BS2）
* FNSドキュメンタリー大賞「Home～僕が田舎暮らしを始めた理由」（2010年5月27日、福島テレビ）
* プロフェッショナル 仕事の流儀（2010年10月 - 、NHK）
* プレミアム8「愛と胃袋・スペイン 角田光代のバスク」（2010年10月19日、NHK-BShi）
* アジア神秘紀行（2011年4月 - 、BS朝日）
その他
* DVD Grasshoppa! Vol.4「言わなきゃよかった / 山岡先生」（2002年7月発売）
* 農林水産省「花の国づくり協議会」ポスター（2004年 - 2005年）
** 「誕生日にお花を」のコピーと、花束を抱えた写真のポスター。
* ファースト写真集『二十歳』（ワニブックス刊）（2005年12月発売）
** 最初で最後の写真集で貴重な水着姿を収録。
* 中央公論新社 マーブルブックス「キミト、ドコカヘ vol.1」（2006年8月発売）
** 鉄道風景を舞台にした写真物語。小湊鉄道に旅をする。
* 広告「新潟県観光協会/にいがた旅物語」ポスター（2006年5月 - 2008年4月）
* 広告「浜ちりめんカレンダー2007」
* カードゲーム「女子アナ出題!Theご当地問題DVD&カード」（タカラトミー、2007年9月27日発売）
** 同梱DVDに、TVガイド特命アナウンサーとして出演。
* 「探偵事務所5」シリーズ
** 映画版に続き、ネット配信版でも宍戸瞳役として出演。
* 中央労働災害防止協会「全国安全週間」ポスター（2008年6月 - 7月）
* 文春文庫「秋の100冊フェア」 2008年イメージキャラクター
* フォトブック『カンジヤノハナシ』（ワニブックス刊）（2009年3月27日発売）
** デビュー以来の軌跡を振り返るロングインタビュー掲載。撮影地は沖縄。カメラマンは土井文雄。
* 第60回全国植樹祭2009ふくい（2009年6月7日）
** 福井県民代表と共に「未来への一筆啓上」を宣言。この模様はNHK総合テレビで生中継された。
* Wiiの間 不思議Wiiテレビ「未来は今」第1話主演（2009年6月14日配信）
* 東宝カレンダー (2009,2010年度の7月分、2011年度版は6月分)
* 東京国立博物館「トーハク？」キャンペーン　イメージポスター (2010年12月 - )
* DVD「地球征服アパート物語」（2011年3月18日発売） - 宇宙人78号 役

*2010年　第7回The Beauty Week Award