1988年に第2回全日本国民的美少女コンテスト（オスカープロモーション主催）のグランプリを受賞して芸能界入り。1993年10月4日から1994年4月2日にかけて放送されたNHK連続テレビ小説『かりん』でヒロインを演じて一躍知名度を上げる。その後は引き続き女優業を中心に活躍。連続ドラマではヒロインの恋敵役が多かった。所属事務所の先輩で、「国民的美少女」のキャッチフレーズで有名な後藤久美子の愛称が「ゴクミ」、第1回全日本国民的美少女コンテストのグランプリを受賞した藤谷美紀の愛称が「フジミ」であることから、当初彼女の愛称は「ホソミ」ではないかとされたが、公式に発表された愛称は「ナヴィ」であった。また、アイドル歌手としても活動していた期間があり、数々の新人賞レースに参戦した。同期デビュー歌手には田村英里子、島崎和歌子、中山忍、深津絵里、マルシア、川越美和などが挙げられる。2002年10月に俳優の葛山信吾と結婚。結婚1年前にレストランで出会ったことがきっかけで交際が始まり、結婚に至ったとのこと。当時、葛山はドラマ『真珠夫人』で横山めぐみの相手役を演じたことが注目され、また、細川は結婚会見で誕生石が真珠であるとコメントしたこともあって、「細川直美が本物の“真珠夫人”に!?」という見出しが芸能ニュース記事を飾った。2003年7月に長女、2006年7月に二女を出産。夫との共通の趣味は釣りである。タモリは細川の大ファンであることで知られ、1999年初め頃には『笑っていいとも!』木曜日に2週に1度の割合で細川をゲストに呼んでいた。クイズのコーナーでは当時木曜レギュラーの鈴木紗理奈がタモリによって細川と比較され、タモリや他のレギュラー陣にからかわれるのが当時のお約束となっていた。また『笑っていいとも!』や『ジャングルTV 〜タモリの法則〜』に細川がゲスト出演した時に、「『細川直美はタモリさんと付き合っているらしい』と街で噂されているようだ」と自らの口で語った。結婚および長女出産からの復帰後は、婦人向け雑誌に時折登場するなど「ママさんタレント」的活動を行なっている。2006年春の第2子（二女）妊娠発表以後は、長女出産からの復帰時よりも芸能活動を控えていたが、二女が小学校に進んだ2013年からは活動が活発化している。現在も所属する事務所が主催している全日本国民的美少女コンテストへは、2002年の第8回以降、出産直後に開催の第9・11回を除き審査員として出席していたが、2012年の第13回以降は呼ばれていない。
東京都出身。本籍地は静岡県榛原郡川根本町で、茶農家の5代目。芝中学校・高等学校、京都大学工学部環境工学科卒業、京都大学大学院工学研究科修士課程修了。2002年、国土交通省に入省し、本省大臣官房、道路局で勤務した。2008年より沼津河川国道事務所調査第二課長。2010年、中部地方整備局地域道路課長を最後に国土交通省を退官。2010年、自由民主党静岡県連が実施した候補者公募に合格し、2012年の第46回衆議院議員総選挙に静岡2区から自民党公認で出馬。民主党前職の津川祥吾らを静岡2区で破り、初当選した。2014年の第47回衆議院議員総選挙では、静岡2区で前回を上回る票を獲得し、民主党の新人らを破り再選。2016年、第3次安倍第2次改造内閣で環境大臣政務官ならびに内閣府大臣政務官に任命された。2017年の第48回衆議院議員総選挙で3選。
天野屋4代目の当主は、延享年間（1744年 - 1748年）に菩提寺である住吉の龍海寺に四十七士の墓を建立、51体（義士と浅野内匠頭・萱野三平・天野屋利兵衛）の木像と堂を寄進して祀った。龍海寺は明治期に廃寺となり、一運寺（大阪市住吉区住吉二丁目）に大石親子と寺坂の墓3基が移されて残る。木像は素封家の手を経て茶臼山観音寺に移されたが、第二次世界大戦の戦災で焼失した。赤穂浪士の墓地がある東京都港区の泉岳寺には「義商天野屋利兵衛浮図碑」という石碑が建立されている。これは明治2年（1869年）に供養墓として作られたもので、義士の行動を天皇に対する「忠孝」と読み替えようとする風潮の中で建てられたものである。また、近代には忠臣蔵ブームとともに泉岳寺にある義士の墓のレプリカを作る動きが見られたが、その中には泉岳寺の義士墓に向かう参道入り口付近に立つ「天野屋利兵衛浮図碑」をも模しているものがある。福岡県福津市にある新泉岳寺、北九州市八幡西区の花尾山にある赤穂浪士の墓、福岡市南区の興宗寺にある四十七士の墓、北海道砂川市の北泉岳寺の赤穂浪士墓所などがその例である。泉岳寺には1880年（明治13年）に入江長八によって作られた漆喰造の天野屋利兵衛像があり、港区の有形文化財に指定されている。1935年（昭和10年）に設立された京都市山科区の大石神社には、末社として天野屋利兵衛を祀る「義人社」がある。1939年（昭和14年）には、利兵衛の屋敷があった場所近く（大坂西町奉行所跡地の若宮稲荷神社。なお、赤穂事件当時に西町奉行所は別の場所にあった）に「義侠　天野屋利兵衛之碑」が建てられた。実業家・政治家の藤原銀次郎が関西財界に呼び掛けたもので、題字の揮毫は近衛文麿による。林学者の江崎政忠はこれに合わせ、1940年（昭和15年）に『天野屋利兵衛伝』を出版し、藤原が序を寄せた。江崎の著は従来の様々な作品を総合したもので、「歴史的に確実な史料」に欠けているとしながらも、利害得失を度外して信用と約束を守った商人として利兵衛を顕彰し、実業界の模範に示そうとするものである。「義侠　天野屋利兵衛之碑」背面には頼春水撰の天野屋利兵衛伝が漢文で記されている（碑文の揮毫は小倉正恒によるもの）が、戦後は「忠孝」宣揚がGHQによって否定される中で裏面碑文中央部は削除された。この碑は1965年に東横堀川沿いの現在地（大手橋と本町橋の中間）に移転した。