沼垂駅は1897年（明治30年）、直江津 - 新潟間の開業を目指していた私鉄、北越鉄道の終着駅として設置された。当時は旅客扱いが主であった。駅が設置された当時、所在地の信濃川右岸は中蒲原郡沼垂町であり、新潟県庁のあった信濃川左岸とは距離的にも離れていたことが社会問題となった。当初、信濃川を挟んで西側の新潟市と、東側の沼垂町とは鉄道の敷設で壮絶な誘致合戦を繰り広げたが、当時の信濃川の川幅は約1kmと広く、鉄橋の建設に莫大な資金がかかることがネックとなったことから、信濃川右岸、萬代橋付近にある沼垂町流作場（りゅうさくば、現在の中央区万代・弁天にあたる）に「新潟駅」を設けるという折衷案で一旦は合意した。しかし、北越鉄道は地代が高い事を理由にこれを事実上拒否し当駅を終着駅とした。新潟市側ではこれに対する反対運動が起こったものの、政府の認可が下りたことから紛糾を極め、市側の「鉄道同志会」の構成員の一部が行動を過激化。沼垂駅を評価する人を襲撃する騒ぎを起こし、更には同年11月16日の鉄道開業予定日を控えた11月11日の早朝、沼垂駅構内の機関庫と貨物庫、新栗ノ木川の鉄橋に爆弾を仕掛け、爆破する騒動にまで発展した。幸い損害は軽度で済み、開業が4日遅れただけで、運行等には大きな支障はなかった。その後も新潟市民の鉄道誘致運動が続き、そのため北越鉄道は、沼垂駅から西に大きくカーブさせる形で線路を延長し、1904年（明治37年）、新潟駅（初代）を開業し、問題は収拾を見た。国有化後は信越本線の駅となり、沼垂地区の旅客駅として、また港湾・工場地帯への通勤駅として重宝されたが、1958年（昭和33年）、新潟駅が現在の位置に移転した際に旅客営業を廃止、貨物駅となった。なお線路は新潟港（西港）中央埠頭方面へも伸びていたが、1986年（昭和61年）に廃止されている。かつては上沼垂信号場からまっすぐレールが伸びていたが、信越本線・白新線がそれぞれ複線となるなどし、規模の縮小により東へ曲がっている格好になっていた。
7歳上の姉と5歳上の兄の3人姉兄の次女として生まれる。武蔵村山市立第八小学校入学、後に秋川市立（現・あきる野市立）西秋留小学校へ転校。藤村女子中学・高等学校を経て、日出女子学園高等学校卒業。1997年（平成9年）3月27日、池袋駅近くのピーダッシュパルコ前でスカウトされた。 デビュー当初は、ホリプロ初のグラビアアイドルとして話題となった。デビューから各種雑誌の表紙などを席巻し、グラビアクイーンとして人気者になる。優香の成功により、イエローキャブの全盛期であったグラドル界に新風が吹き込み、これをきっかけとして他の芸能事務所もグラビアアイドルを育てる流れが生まれた。ホリプロも、優香の妹分として翌年に堀越のりをデビューさせるなど攻勢を続け、積極的にグラビアアイドルを売り出すようになった。1998年（平成10年）、当時のホリプロ所属のアイドル達で「HiP」というユニットを結成。優香は初代メンバーとして参加し、後に2代目リーダーとなった。また、同年にマツモトキヨシで初CM。1999年（平成11年）秋にはジョージアのCMで飯島直子と共演し、ブレイク。この頃「癒し系」という言葉が浸透し、癒しブームの先駆けと言われている。これがターニングポイントとなり、以降はテレビのバラエティ番組やCM中心の仕事にシフトチェンジしていった。そして他のグラビアアイドルもこれを追うようにCMに進出していく流れが生まれた。1999年（平成11年）春、堀越のり・吉井怜・唐沢美帆との1ヵ月の期間限定音楽ユニット「NITRO」として活動。2000年（平成12年）からはグラビアアイドルを卒業し、タレントとして活動。自然体で明るい性格を生かして番組の司会やコントをこなし、女優としての活動も広げはじめる。2002年（平成14年）8月、「HiP」メンバーを卒業。2004年（平成16年）、大河ドラマ『新選組!』でヒロイン役に抜擢され、深雪太夫とお孝（深雪太夫の妹）の1人2役を演じた。2005年（平成17年）、舞台版『電車男』にエルメス役の声のみで舞台に初出演。2006年（平成18年）1月7日、主演ホラー映画『輪廻』が公開された。同年1月13日から、『ぐるぐるナインティナイン』の恒例コーナー「グルメチキンレース・ゴチになります!」で、2005年（平成17年）の第6回大会で年間最多自腹を払いクビとなった中島知子に替わり、新メンバーとして登場。女性レギュラーとしては中島に次いで2人目だったが、12月22日放送で最下位に沈み、レギュラーの座を失った。優香本人は「またリベンジしたい」と言っている。2007年（平成19年）、デビュー10周年を迎えたことを記念し、11月26日発売号の『週刊プレイボーイ』で記念グラビアに登場。同時にオフィシャルページ「優香くらぶ」もリニューアルされた。2012年（平成24年）、デビュー15周年の年に連続ドラマとしては11年ぶりに「本日は大安なり」で主演、また12年ぶりに水着ありの写真集「優香グラビア」とダイエットに成功した理由などを書いたボディブックの「優香ボディ」を発売。3月31日、9年間司会をしていた王様のブランチを卒業した。私生活では、NHK木曜時代劇『ちかえもん』での共演を機に交際していた俳優の青木崇高と、半年の交際期間を経て自身の36歳の誕生日にあたる2016年（平成28年）6月27日に結婚した。7月27日、明治神宮で挙式。