15才で2000年「ホリプロスカウトキャラバン」審査員特別賞を受賞。グラビアアイドルとして活動を始め、2001年ドラマ『金田一少年の事件簿』（日テレ系）で女優デビュー。2004年にドラマ『世界の中心で、愛をさけぶ』（TBS系）のヒロインに抜擢されてブレイク。以降は2006年『白夜行』（TBS系）、2007年『ホタルノヒカリ』（日テレ系）、2009年『JIN-仁-』（TBS系）、2016年映画『海街diary』など数多くの話題作で主演またはメインキャストを務め、シリアスからコメディ、アクションまで幅広くこなす。2013年NHK大河ドラマ『八重の桜』で主演。NHK紅白歌合戦の紅組司会を2019年までに3度担当し、芸能人好感度等のランキングでも上位常連の国民的女優。歌手としても小林武史プロデュースで2006年にシングル『ピリオド』でデビュー。なお、本名は「蓼丸（たでまる）綾」という珍しい姓で知られ、現芸名はインターネット公募で決まった。