2002年，开始在电影里露脸的石原里美，真正意义上的出道作品是2003年东 映的一部《我的爷爷》，正是因为在这部筒井康隆小说改编电影作品中细腻而收放自如的表演，她获得了当年7个国内电影奖项的最佳新人奖 。在同年的NHK晨间剧《开朗家族》中，她扮演的是活泼开朗又不失温柔的岩田冬子，与上野树里和锦户亮都有不少的对手戏。囊括2003年大小电影新人大赏的石原里美，在2004年结束晨间连续剧《开朗家族》的拍摄后，在接下来的电影《北之零年》中，和吉永小百合以及渡边谦合作 。2004年的《水男孩2》之后，她拿到《H2》中的重要角色古贺春华。2005年在大河剧《义经》中，石原里美出演了静御前。历史上的静御前，身为为贵族武士们献舞的白拍子，美貌且深具反抗精神，至死都深爱着丈夫源义经。2007年的春季日剧《新娘和爸爸》里，她演起OL宇崎爱子来倒也似模似样。2008年4月，主演的电视剧《谜》在日本首播，饰演鲇川美沙子。4月19日，主演的电影《寿司王子！前往纽约》在日本上映，饰演武留守莉莉 。7月11日，主演的电视剧《花蝴蝶》在日本首播。9月13日，主演的电影《飞行兔子》在日本上映，饰演由香里 。2009年1月12日，主演的电影《亡者之声》在日本首播 。8月1日 ，参与拍摄的电视剧《乌龙派出所》在日本上映 。10月3日，与山田凉介主演的SP《左眼侦探》在日本上映。2010年2月20日，参与拍摄的电影《人间失格》在日本上映 。5月29日，主演的电影《最后的座头市》在日本上映 。7月6日，主演的电视剧《逃亡律师》在日本首播。10月16日，与藤原龙也、绫濑遥主演的电影《算计：七天的死亡游戏》在日本上映，饰演关水美夜 。12月15日，与山田凉介主演的电视剧《左目侦探》在日本播出。2011年3月19日，与佐藤隆太主演的电影《漫才帮》在日本上映 。4月29日，参与配音的动画《鬼神传》在日本上映 。7月6日，主演的电视剧《暴走医生》在日本首播 。7月16日，参与配音的动画《宠物小精灵》在日本上映 。11月5日，与速水重道主演的电影《使命与心的极限》在日本上映。2012年1月14日，与浅野忠信主演的喜剧电影《月光假面》在日本上映 。5月12日，主演的电影《贞子3D》在日本上映。7月9日，与小栗旬主演的电视剧《富贵男与贫穷女》在日本首播。9月29日，主演的迷你短剧《Bungo 日本文学映像》在日本首播。11月23日，与阿部宽主演 的电影《乌鸦的拇指》在日本上映 。2013年8月30日，参与拍摄的电影《贞子3D2》在日本上映。2014年1月13日，与松本润、水川麻美主演的电视剧《失恋巧克力职人》在日本首播，饰演高桥沙绘子 。7月26日，与玉木宏主演的电影《幕末高校生》在日本上映，饰演川边未香子 。2014年10月，与松下奈绪共同主演富士电视台日剧《Dear Sister》（每周四晚10点播出），首次共演的两人将饰演姐妹角色，石原里美饰演自由奔放、天真烂漫的27岁妹妹美咲 。2015年3月14日，搭档大泽隆夫出演的电影《迎风而立的狮子》在日本上映 。8月1日，与三浦春马、水原希子联合出演的漫改电影《进击的巨人》真人版在日本上映 ，饰演调查兵团分队长韩吉。接着，还主演了《进击的巨人》真人版手机剧 。9月，确定出演2016年夏季上映与观众见面的哥斯拉系列最新电影《新哥斯拉》 。10月，主演了富士电视台月九档新剧《朝五晚九》 。2016年，主演NHK战争题材新剧《战舰武藏》 。主演10月期NTV水十档日剧《校对女孩河野悦子》 。参演中村义洋导演的新片《忍者之国》 。