En snyftande Minami Minegishi bad sina fans om ursäkt och sa att hon inte ville lämna bandet AKB48, i videon som setts av miljoner på YouTube.
Produktionsföretaget bakom AKB48 sade Minegishi, 20, hade underlåtit att följa sin huvudregel - ingen datering.
Men fans har försvarat henne och sagt att hon har rätt till ett normalt liv.
Huvud rakning är en traditionell form av att visa ånger i Japan.
Minegishis ursäkt kom flera timmar efter att en tabloidtidning publicerade fotografier av henne som lämnade sin pojkväns lägenhet, Alan Shirahama, en dansare i ett pojkband.
I videon som publicerades på AKB48:s officiella hemsida, sa hon att hon hade tagit beslutet att raka av sig sitt långa hår för att visa ånger för hennes "tanklösa och omogena" handlingar.
"Jag tror inte bara att göra detta betyder att jag kan bli förlåten för vad jag gjorde, men det första jag trodde var att jag inte vill sluta AKB48," sade hon.
Ibland snyftade och bugade hennes huvud under den nästan fyra minuter långa videon, sade hon också: "Om det är möjligt, jag önskar från djupet av mitt hjärta att stanna i bandet. Allt jag gjorde är mitt fel. Jag är så ledsen."
Minegishi var en av de ursprungliga medlemmarna i AKB48 när den lanserades av producenten Yasushi Akimoto 2005. Bandet består av omkring 90 flickor - vars ålder sträcker sig från mitten av tonåren till början av 20-talet - som i lag uppträder dagligen i sin egen teater och regelbundet på TV, i annonser och i tidskrifter.
De skildrar en bild av söthet känd som "kawaii", och har blivit ett enormt fenomen både i Japan och i allt större utsträckning i andra asiatiska länder, säger korrespondenter.
Villkoret för att vara en del av en sådan framgångsrik handling är att flickorna inte får dejta pojkar, för att inte krossa sina fans illusioner.
AKB48: s ledningskontor sade Minegishi hade degraderats till ett trainee team som straff "för att orsaka en olägenhet för fansen".
Men författare och kritiker Hiroki Azuma sa att det var "avskyvärt" att stjärnan kände att hon borde ta till en traditionell ångerfull handling när de enda regler hon hade brutit var de av hennes band.
Vissa fans och kommentatorer säger att Minegishi gick för långt med sin offentliga ursäkt, och att det var onödigt.
"Vad är poängen med denna offentliga avrättning show? Det är som något från kriget eller en totalitär stat," sa en fan på Twitter.
En japansk popstjärna har rakat huvudet och erbjudit en filmad ursäkt efter att ha brutit mot företagets regler genom att tillbringa en natt med sin pojkvän.