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アイドルグループ・乃木坂46の元メンバー。グループ卒業後、主にタレントとして活動し、ファッション雑誌「装苑」にて、手描きのコラム「伊藤万理華のときめき録」を連載。

映画「ソロモンの偽証」「町田くんの世界」、日本テレビ「今日から俺は!!」、日本テレビ「3年A組－今から皆さんは、人質です－」、NHK連続テレビ小説「なつぞら」に出演。大和ハウスのCMに起用される。特技はピアノ、ドラム、カメラ。

2000年映画「ジュブナイル」でデビュー。以後、ドラマ「ヴォイス～命なき者の声～」「のだめカンタービレ」「パーフェクト・リポート」「ＨｉＧＨ＆ＬＯＷ」や映画「シャカリキ」（主演）「永遠の０」「ホットロード」など数多くの映像作品に出演。舞台では「城山羊の会仲直りするために果物を」（演出：山内ケンジ）「宮本武蔵（完全版）」（演出：前田司郎）や「お気に召すまま」などに出演している。

1980年に週刊朝日の企画「篠山紀信があなたを撮ります・キャンパスの春」に応募し掲載されたのをきっかけにミノルタカメラのテレビCMに出演。同年、TBSドラマ「元気です！」主演で本格的に芸能活動を開始。多数のテレビドラマやバラエティー番組に出演。映画でも、1985年「乱」、2007年「キャプテン」など出演作多数。2000年、映画「雨あがる」では、不器用で仕官できない武士の夫を支える妻役を好演。この作品で翌年、第43回ブルーリボン賞助演女優賞受賞、第24回日本アカデミー賞優秀主演女優賞を受賞。また近年ではその博識ぶりを活かし、クイズ番組でも活躍している。

1988年TBSドラマ「とんぼ」に出演。1996年第5回東京スポーツ映画大賞では新人賞を受賞。2005年映画「公証人真下正義」に出演し、その演技力が評価され、2006年第29回日本アカデミー賞では優秀助演男優賞を受賞。2016年テレビ朝日ドラマ「ドクター彦次郎」、TBSドラマ「IQ246～華麗なる事件簿～」にレギュラー出演。