神奈川県綾瀬市の生まれ。本名・小田切悠子（旧姓・香椎）。米国人の祖父を持つクォーターで、父親の仕事の関係で小学校の６年間をシンガポールで過ごす。帰国後の2001年に雑誌『mc Sister』のモデルとして芸能活動を開始。03年、フジテレビの単発ドラマ『きまずっ！』で女優デビューしたのち、同年のフジテレビ『ウォーターボーイズ』で主人公たちの憧れの女子高生・花村響子役を演じ、連続ドラマ初出演を果たす。05年に福井晴敏原作、樋口真嗣監督の「ローレライ」で映画初出演。第二次世界大戦末期、日本軍の潜水艦に搭載された秘密兵器のカギを握るヒロイン・パウラ役で脚光を浴びる。同年の山下敦弘監督「リンダリンダリンダ」では、即席バンドを組んで学園祭のライブ出場をめざすギター担当の勝気な女子高生をさわやかに演じ、山路ふみ子映画賞新人女優賞を受賞した。この年にはSABU監督「ホールドアップダウン」や、源孝志監督「大停電の夜に」にも出演。女優として大きく飛躍した。翌06年には金子修介監督の「デスノート」に出演。また同年の冨永昌敬監督のシュールなラブコメディ「パビリオン山椒魚」でヒロインを演じ、この時に共演したオダギリジョーと08年に入籍している。テレビドラマもTBS『女系家族』05、日本テレビ『マイ☆ボス・マイ☆ヒーロー』06、フジテレビ『東京タワー／オカンとボクと、時々、オトン』07などコンスタントに出演。07年４月から７月にかけてカナダ留学のため一時、芸能活動を休止したが、同年10月期の日本テレビ『有閑倶楽部』の白鹿野梨子役で復帰。その間にも、犬童一心監督が人気アイドル・嵐の主演で高度経済成長期の若者たちの青春を描いた「黄色い涙」07をはじめ、下山天監督のサスペンス「真夜中のマーチ」07、夏目漱石の短編小説をもとにしたオムニバス「ユメ十夜」07など出演作の公開が相次いだ。以降も水田伸生監督「252・生存者あり」08、滝田洋二郎監督「釣りキチ三平」09、李闘士男監督「ボックス！」10で助演。近作のドラマに、フジテレビ『イノセント・ラブ』08、テレビ朝日『名探偵の掟』09、日本テレビ『赤鼻のセンセイ』、テレビ東京『モリのアサガオ』10などがある。