2003年,在电视剧《美少女战士》中饰演火野丽,正式作为女演员出道。
2006年5月13日,出演佐佐木藏之介、中岛美雪主演的电影《间宫兄弟》,这是她首次出演电影。同年6月16日出演美国动作电影《速度与激情3:东京漂移》,饰演Reiko。9月,二十岁的北川正式离开《Seventeen》杂志。
2007年10月,主演首部电视连续剧《抹布女孩》,该剧获得第55届日剧学院赏特别奖。10月20日,与城田优、木村了共同出演动作电影《东京大恶斗》,饰演娜奥。
2008年7月,首次担任富士电视台月九剧的女主角,出演电视剧《太阳与海的教室》。11月1日,出演冢地武雅、谷原章介主演的喜剧电影《变身西装》,饰演在书店打工的店员星野寛子。
2009年6月13日,与玉木宏共同主演电影《盛夏猎户座》,一人分饰两角,有沢志津子与仓本いずみ。7月13日,参演山下智久主演的电视剧《零秒出手》,饰演男主角的恋爱对象白河莉子。
2010年1月10日,与福士诚治等人合作,主演电视剧《笔谈女公关》,饰演女公关斉藤里恵。3月13日,主演中西健二执导的古装爱情电影《花痕》,饰演寺井以登。5月10日,参演木村拓哉、林志玲等人主演的爱情电视剧《月之恋人》,剧中饰演富家小姐大贯柚月。
2011年1月7日,主演推理题材电视剧《LADY~最后的犯罪心理分析官~》,饰演香月翔子。6月4日,与向井理主演的爱情电影《天堂之吻》上映。8月5日,主演佐藤东弥执导的战争结束纪念特别剧《这个世界的角落》,饰演北条すず。10月18日,与樱井翔合作,主演推理题材电视剧《推理要在晚餐后》,饰演刑警宝生丽子。
2012年1月7日,担任动画电影《魔法树屋》中主人公的配音演员。10月13日,主演电视剧《噩梦小姐》,饰演小学教师武户井彩未。
2013年8月,与樱井翔共同主演电影版《推理要在晚餐后》,继续饰演宝生丽子。11月9日,与深田恭子共同主演恐怖电影《室友》,该片改编自同年春天去世的推理小说作家今邑彩发表于1997年的同名小说。10月,出演草剪刚主演的爱情剧《独身贵族》,饰演春野雪。
2014年1月1日,出演永井聪执导的电影《菜鸟评审员》,饰演大田ひかり。2月,与锦户亮共同主演爱情电影《想要拥抱你》,饰演山本つかさ。同年5月,主演电影版《噩梦小姐The梦ovie》,继续饰演小学老师武戸井彩未。7月,出演木村拓哉主演的法律体裁电视剧《律政英雄2》,饰演事务官麻木千佳。
2015年7月9日,主演石井祐介执导的悬疑电影《侦探的侦探》,饰演侦探纱崎玲奈,并首次挑战武打动作戏。7月18日,出演木村拓哉主演的《律政英雄》电影版,片中她与木村拓哉饰演的久利生一起调查某国大使馆的刑事案件。
2016年1月,出演喜剧电影《像“像那样的东西”那样的东西》,饰演夕美。3月,与向井理、泽村一树合作,主演电视剧《黑色树海》。7月,主演WOWOW电视剧《卖房子的女人》,饰演房产中介三轩家万智。10月,主演内片辉执导的悬疑电视剧《希波克拉底誓言》,饰演研修医生栂野真琴。
2017年1月,参演改编自作家黑川博行获得直木赏的同名小说电影《破门:二人的疫病神》,饰演二宫的表妹悠纪。5月,主演电视剧特别篇《卖房子的女人:回来了》,继续饰演三轩家万智。7月,参演同名小说改编的电影《我想吃掉你的胰脏》。
2018年,出演首部NHK大河剧《西乡殿》。出演绫野刚主演电影《朋克武士》。参演真人电影《响-HIBIKI-》。主演小说改编的电影《虽然只是弄丢了手机》。9月主演电视剧《指定律师》。
2019年1月,主演电视剧《卖房子的女人的逆袭》。10月,参演电影《引田!怀孕了》。
2021年,预计出演堤幸彦执导的电影《初恋》。