1986年、3人妹弟の長女として生まれる。高校進学のために通っていた塾の講師が芸能事務所の社長と知り合いで、身長も高かったことから2003年にスカウトされ、沖縄県立中部農林高等学校の合格発表後、その講師を通じて沖縄のモデル事務所「Dine and indy」に入り、モデルとしてデビュー。高校2年生の時に東京の芸能事務所「ジャングル」へ所属。沖縄の事務所との二重在籍となる。2005年公開の映画『ニライカナイからの手紙』の出演オファーがあり、地元の女子高生役で女優デビュー。社会勉強のつもりの出演だったが、2行のセリフがなかなか言えなかったことが悔しく、それがきっかけで本格的に女優を目指すことを決意。猛反対していた両親を土下座して説得し、3月に高校を卒業後、6月に上京した。2006年7月、 NHK連続テレビ小説『どんど晴れ』オーディションにて2,156人の中からヒロイン役に選ばれ世間から認知されるきっかけとなる。翌2007年3月、所属事務所を「Dine and indy」、「ジャングル」から「ヴィジョンファクトリー（現在のライジングプロダクション）」へと移す。4月に『どんど晴れ』にてテレビドラマに初出演で初主演。10月、第54回ザテレビジョンドラマアカデミー賞 ザテレビジョン特別賞を受賞。12月にはフジテレビ系スペシャルドラマ『美ら海からの年賀状』にて民放ドラマに初出演。2009年3月、『天地人』で菊姫役としてNHK大河ドラマ初出演。2015年春クールの『恋愛時代』（日本テレビ）で民放連続ドラマ初主演を務める。
2010年の臨床試験では、稀な遺伝性疾患であるエーラス・ダンロス症候群の血管合併症の予防薬として有効であることが示唆された。その研究では、動脈破裂や剥離の発生率が減少することが示されていた。
後述のりんたろう監督作品である劇場版アニメが冒険活劇、青春ものの作品としてまとまっているのに比べると、原作からのトレースが多いこのテレビアニメ版は、男女間の恋愛や家族愛による人間同士のつながりと、その反面として人間（多くの場合は大人）が陥りがちな愚かさや孤独、弱さがより強調されたエピソードが目立つ。こうした設定の背景として、格差社会や死の運命、時間の流れなどがもつ不条理さを描いている。また、人間による植民地支配や奴隷制、独裁国家の歴史を下地にした描写 も多く見られるほか、一部の挿話で公害やゴミ問題など人間社会の負の部分を取り上げた描写 も見られた。エメラルダスやハーロックなど、他の松本作品のキャラクターが登場するエピソードもあるが、彼らが前線で目立った活躍を見せていた劇場版に比べると、テレビアニメ版ではエメラルダスは代理が乗っ取りを謀っており、ハーロックは偽者が羽振りを利かせているといった状況で直接戦闘にも加わらないなど、いずれもほぼ原作に準じた描写となっている。
1月のチェンナイ・オープンでは予選から勝ち上がり、準々決勝ではスタン・ワウリンカを6-4, 6-4で破りATPツアー初のベスト4に進出した。準決勝ではヤンコ・ティプサレビッチに1-6, 4-6で敗れた。2月10日、日本が27年ぶりに復帰したデビスカップワールドグループの1回戦のクロアチア戦のシングルス第1試合で、世界ランク55位で格上のイワン・ドディグに6-7(3), 3-6, 6-4, 6-3, 7-5、4時間5分のフルセットの死闘の末、勝利。1981年にデビスカップが現行制度となってから、日本はワールドグループで1981年と1985年に戦った経験があったが、どちらも全試合敗退に終わっており、この勝利は日本人選手のワールドグループでの初勝利という歴史的な1勝となった。2勝2敗で迎えた最終試合でイボ・カロビッチに6-7(4), 1-6, 4-6、通算成績2勝3敗で惜しくも敗れ、初のベスト8には進めなかったが、2月13日付けの世界ランキングで、90位から81位に上がった。全仏オープンでは、シングルスは1回戦ドミトリー・トゥルスノフに1-6, 4-6, 4-6で敗退したものの、盧彦勳と組んだ男子ダブルスの1回戦でジェイミー・マリー/カーステン・ボール組に7-6, 4-6, 6-3で勝利し、全部門を通じて4大大会での初勝利を挙げた。6月11日発表のランキングにより錦織圭と共にロンドンオリンピックの出場権を獲得し、五輪への初出場が決定した。6月27日には伊藤竜馬の出場も発表され、五輪のテニス競技に日本男子選手が3人出場するのは、4人だった1924年（大正13年）のパリオリンピック以来88年ぶりの快挙となった。6月26日、ウィンブルドンのシングルス1回戦で世界ランク116位のイーゴリ・クニツィンを6−3, 6−2, 6−1のストレートで破り、4大大会のシングルスで初勝利を挙げた。錦織圭も1回戦を突破し、ウィンブルドンで2人の日本人男子選手がシングルス2回戦に進んだのは、1973年（昭和48年）の九鬼潤、坂井利郎以来39年ぶりの快挙となった。2回戦では第9シードのフアン・マルティン・デル・ポトロに2-6, 3-6, 6-1, 4-6で敗れた。アトランタ・テニス選手権では準々決勝で錦織圭を6-2, 6-1で破りベスト4に進出、大会後のランキングで自己最高の47位を記録しトップ50入りを果たした。ロンドン五輪ではシングルスでは1回戦でマルコス・バグダティスに7-6(6), 6-7(5), 2-6で敗れた。錦織と組んだダブルスでも1回戦で北京五輪金メダルのフェデラー/ワウリンカ組に7-6(5), 4-6, 4-6で敗れた。全米オープンでは1回戦でマーディ・フィッシュに6-7(3), 6-7(2), 3-6で敗れた。