千葉県印西市の生まれ。本名・片山蓉子（旧姓・金森）。小学２年生の時、安達祐実主演の「REX／恐竜物語」93を観て触発され女優を志す。中学卒業後、仲代達矢が主宰する“無名塾”に入塾。1999年、１年目にして『どん底』のヒロイン・ナターシャ役に抜擢され、仲代の激賞を受けるもすぐに退塾し、以後は独自に女優の道を模索する。2001年、薬物の危険性を解く教育映画「DRUG」で映画初出演。中島哲也監督「下妻物語」04のロリータ・ファッションショップ店員、井筒和幸監督「パッチギ！」05のスケバン韓国人女子高生、本広克行監督「サマータイムマシン・ブルース」05のカメラ部員の女子大生など、脇役ながら印象に残るキャラクターを次々と演じる。06年、堀江慶監督「ベロニカは死ぬことにした」で映画初主演。自殺願望に取り憑かれた主人公・トワに扮し、自分を取り巻く環境に攻撃的な少女が葛藤を経て大人の女性に成長してゆくまでを好演し、終盤の大胆な自慰演技も話題を呼んだ。女優としてさらに大きく注目されたのは、西川美和監督の長篇第２作「ゆれる」06。香川照之とオダギリジョーが兄弟に扮したこの作品で兄から想いを寄せられながら弟を愛するヒロインを演じ、地方に生きる若者の焦燥感と女性の残酷さを生々しく表現して、山路ふみ子映画賞新人女優賞を受賞した。以後も、自らの名が冠された異業種クリエイターらによる競作ドラマのテレビ東京『週刊真木よう子』08で高い評価を得たほか、NHK大河ドラマ『龍馬伝』10では坂本龍馬の妻・お龍役に抜擢。初めての大役ながら、意志の強さを感じさせる存在感でお茶の間にもその名を浸透させた。目力の強さと“無名塾”で鍛えた演技力、中学時代は陸上部だった運動神経を活かし、「バトル・ロワイアルⅡ／鎮魂歌」03の女戦士、「フライング☆ラビッツ」08のバスケットボール選手、映画版も作られたフジテレビ『SP／警視庁警備部警護課第四係』07～08の女性SPといった闘う女性を演じることも多い。08年、元俳優の片山怜雄と結婚、翌09年に第一子を出産した。