1986年，13岁的深津绘里赢得原宿小姐大奖。
1988年春天，深津绘里以艺名水原里绘参演了由金子修介执导的剧情片《世纪末暑假》，该片为其电影处女作；随后，深津绘里又以高原里绘的艺名，展开偶像歌手的活动，但她在演唱方面不算成功，5年间只灌了数张唱碟。
1989年，与寺肋康文主演了金田龙执导的爱情恐怖片《满月之吻》，由此获得第13届日本电影学院奖最佳新人奖和第9届罗马幻想电影节最佳女主角等奖项。
1990年4月，参演了由织田裕二、的场浩司、绪形直人、白川由美、长谷川真弓、田中美佐子等主演的电视剧《高校三侠》，该剧是深津绘里首次参演电视剧；7月，深津绘里第一次主演电视片《天堂日本》。
1996年，深津绘里得到森田芳光的赏识，出演了其执导的爱情电影《春天情书》，这是其首次担任主角的电影，其在片中饰演痛失恋人的孤独女子，因此获得第20届日本电影学院奖最佳女主角提名。
1999年，深津绘里与中山忍、椎名桔平、水野美纪等主演了电视剧《她们的时代》，在剧中饰演职业女性“羽村深美”，最终获得第22回日剧学院赏最佳女主角。
2000年，搭档佐藤浩市、稻森泉等，主演了爱情喜剧《天气预报的恋人》，因此获得第25回日剧学院赏最佳女配角奖。
2001年，与常盘贵子、山下智久主演了由武内英树执导的清新职场剧《正义代书战士》，深津绘里饰演乍看理性，一旦暴走便一发不可收拾的大野代书事务所的代书“荣田千春”，并凭此角色获得第28回日剧学院赏最佳女配角奖。
2002年1月10日，深津绘里与堤真一、矢田亚希子、西村雅彦合作主演的爱情电视剧《爱的力量》首播，其饰演了工作、爱情运都乏善可陈的30岁女人“本宫藤子”，由此获得第32回日剧学院赏最佳女主角奖；4月15日，在与木村拓哉、明石家秋刀鱼等人主演的爱情电视剧《从天而降的一亿颗星星》中，饰演了明石家秋刀鱼的妹妹“堂岛优子”。
2003年，搭档大竹忍、黑木瞳、深田恭子，主演了由森田芳光执导的家庭情感剧《宛如阿修罗》，深津绘里饰演家中三女儿“竹泽泷子”，获得了第27届日本电影学院奖最佳女配角奖。
2006年，与香取慎吾、伊藤淳史等人主演了改编自中国古代四大名著的同名神话电视剧《西游记》，深津绘里在剧中饰演为众人所尊敬的伟大法师“唐三藏”。
2008年5月12日，与木村拓哉、阿部宽、加藤罗莎等人主演的由泽田镰作执导的励志电视剧《CHANGE》首播，深津绘里在剧中饰演辅佐木村拓哉的秘书“美山理香”，因而获得了第57回日剧学院奖最佳女配角奖提名；6月7日，由三谷幸喜编导，佐藤浩市、妻夫木聪主演的喜剧电影《魔幻时刻》上映，深津绘里因在片中饰演黑帮组织老大情妇“高千穗真里”而获得第3届亚洲电影大奖最佳女演员提名。
2010年，搭档妻夫木聪，主演了日籍韩国导演李相日执导的剧情片《恶人》，深津绘里饰演了通过约会网站认识了杀人犯妻夫木聪并与之逃亡的女店员“马込光代”，凭此角色获得第34届日本电影学院奖最佳女主角。
2011年，深津绘里搭档西田敏行，主演了喜剧电影《了不起的亡灵》，其在片中饰演三流律师“宝生绘美”，该片上映16天，票房收入即达到近22亿日元（约合1.8亿人民币），观影人数突破180万。
2012年，深津绘里与瑛太首次合作，主演了长冢圭史导演的舞台剧《玻璃动物园》；9月1日，与织田裕二、柳叶敏郎和内田有纪共同出演的电视剧《跳跃大搜查线2012特别篇》播出。
2014年，与染谷将太、阿部贞夫等共同出演了该剧漫画改编的科幻剧情片《寄生兽》，深津绘里饰演被寄生兽入侵后却与寄生虫和平共处的“田宫良子”。
2015年，主演了根据日本小说家汤本乡树实同名小说改编的奇幻爱情电影《岸边之旅》，深津绘里在片中饰演浅野忠信的妻子“瑞希”，并获得第89届电影旬报十佳最佳女主角。
2017年，与小日向文世共同主演的电影《生存家族》将在日本上映。
2021年，主演晨间剧《Come Come Everybody》。
