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2001年に映画での出演を果たしデビュー。2006年の映画「ベロニカは死ぬことにした」で初めて主演を務める。同じく2006年に公開の映画「ゆれる」にも出演し第30回山路ふみ子映画賞新人女優賞を受賞。2013年には、主演した映画「さよなら渓谷」が第35回モスクワ国際映画祭審査員特別賞を受賞している。映画「そして父になる」では第66回カンヌ国際映画祭で審査員賞を受賞。第37回日本アカデミー賞では最優秀主演女優賞、最優秀助演女優賞の2冠を達成するという快挙を成し遂げる。フジテレビ「最高の離婚」「SP」、TBS「MOZU」、NHK「龍馬伝」を始め、数々のドラマにも出演している。

2001年映画「青　chong」でデビュー。映画では2005年「心中エレジー」、2012年「横道世之介」、2014年「るろうに剣心 京都大火編」、「るろうに剣心 伝説の最期編」、2015年「悼む人」、2017年「愚行録」など。テレビドラマでは2012年・2013年テレビ朝日「遺留捜査」、2014年NHK大河ドラマ「軍師勘兵衛」、東海テレビ「シンデレラデート」、2015年TBS「まっしろ」、フジテレビ「赤と黒のゲキジョー『黒い看護婦』」、テレビ朝日「クロハ?機捜の女性捜査官」、フジテレビ「ようこそ、わが家へ」、2016年関西テレビ「僕のヤバイ妻」ほか、数多くの作品に出演。舞台では2014年「ボクの妻と結婚してください。」、2015年「道玄坂綺譚」、2016年「家族の基礎?大道寺家の人々」に登場。

1981年宝塚歌劇団入団。在団中の1982年に映画「南十字星」に出演。1985年宝塚歌劇団退団。1986年映画「化身」で第10回日本アカデミー賞新人俳優賞、1997年「失楽園」で第21回日本アカデミー賞最優秀主演女優賞、2000年「破線のマリス」で第10回日本映画評論家大賞女優賞を受賞した。2000年「mama loves MAMBO 黒木瞳オリジナル作品」や2001年「クリスマス・ボックス」など多数くの作品で活躍。2001年フジテレビ「ルーキー！」、2004年「白い巨塔」、2011年NHK「下流の宴」などドラマにも起用される。同年舞台「芸能生活30周年記念 『取り立てや　お春』」では初座長を、2015年「嫌な女」では初監督を務めた。2016年は日本テレビ「そして、誰もいなくなった」、舞台「GURUになります。～平浅子と源麗華の一週間～」、2017年にはテレビ朝日「就活家族～きっと、うまくいく～」などに出演。

2015年TBS「表参道高校合唱部！」、2020年テレビ東京「30歳まで童貞だと魔法使いになれるらしい」などのドラマや、2015年「通学シリーズ　通学電車」、2020年「思い、思われ、ふり、ふられ」などの映画に出演。2017年～2018年には「仮面ライダービルド」などの仮面ライダーシリーズで活躍。2016年舞台「露出狂」、2017年舞台「黒子のバスケ OVER DRIVE」などにも出演。趣味は剣道、ピアノ、英会話。