2000年,香里奈成为时尚杂志《Ray》的专属模特,从而出道。2001年1月,出演了个人首部电视剧《不平则鸣》。2002年,18岁的她离开了位于名古屋的模特事务所之后去东京发展。同年,在杂志《Ray》的9月号中,首次登上封面。
2004年8月,在电视剧《2H》中实现首次主演。同年5月,出演个人首部电影《深呼吸的必要》,并凭借该片在2005年获得日本电影影评大奖·新人奖。
2005年,发行了第一本写真集《KARINA》。同年4月,出演电影《海猿》,并凭借该片获得第9回ニフティ电影大奖·新人奖。
2006年,出演电视剧《我脚下之路》,并凭借该片获得第51届日剧学院赏的女配角奖。
2007年,发表自主婚纱品牌SanctaCarina。同年,首次在TOKYOGIRLSCOLLECTION展会上登场,之后的连续7年都有在该舞台登场。
2008年,通过TBS电视剧《我最喜欢你》,实现了其电视连续剧的首次主演,并凭借该剧获得第56届日剧学院赏的最佳女主角。同年,发售了名为《Ican.》的首组照片组。
2009年,与黒木瞳合作主演职场励志类电视剧《真我霓裳》饰演天野绢惠,在本片中首次与两个姐姐作为“能濑三姐妹”同台演出。同年3月,女性时尚杂志《GINGER》创刊,香里奈与山田优及竹下玲奈等5名模特作为主力模特登场,之后成为该杂志的常驻模特。
2010年9月25日,通过电影《爱情喜剧》,时隔6年再次担任主演。
2011年1月12日,主演电视剧《美咲NO.1》,同年10月,首次主演富士电视台月九剧《我不能恋爱的理由》。同年,在运动励志类电影《明日之丈》中担当女主角。同年,发售第三本写真集《One.》。
2012年,与向井理合作主演爱情电影《女孩》。同年与木村拓哉合作出演励志类电视剧《PRICELESS》,饰演二阶堂彩矢。
2013年,出演爱情电视剧《SUMMERNUDE》,该剧是其与山下智久的第三次合作。
2014年,结束了就职了14年的时尚杂志《Ray》专属模特职业。同年3月发售的同杂志5月号上,是香里奈最后一次登场。
2015年10月,主演TBS电视剧《婚礼的前一天》。2017年,主演冬季档富士电视剧《被讨厌的勇气》;10月2日,主演的电视剧《AI:我与女友与人工智能》播出。
2018年,出演《高岭之花》饰演新庄千秋,第7话登场。
2020年,出演电视剧《将恋爱进行到底》。