1997年，正在读高二的优香被Haripro公司的星探发现，随后作为该公司的首批杂志模特儿出道。 1998年，优香与深田恭子、酒井彩名等组成偶像组合HiP（Horipro idol Paradise的缩写）。 1999年春天，为宣传动画电影《逮捕令》，优香与吉井怜、堀越纪子和唐泽美帆组成少女组合NIRO，并发行了一张唱片，同年5月21日组合解散。 2000年4月13日，与泷泽秀明、松雪泰子、竹下景子等主演了都市情感剧《太阳不西沉》，并因此获得了第25回日剧学院赏最佳新人奖； 随后，优香推出第4本写真集《天真》（Innocent）。 2002年4月，优香与徐若瑄合作，在日本电视台深夜节目《Chanoma Girls》中担任主持人； 8月，优香退出偶像组合HiP；11月3日，搭档竹中直人、玉山铁二等，主演了奇幻爱情歌舞片《用歌声诉说爱情》，优香凭借该片获得了第26届日本电影学院奖最佳新人奖。 2004年，与香取慎吾、藤原龙也、山本耕史等主演了NHK大河剧《新选组！》，这是优香第一次出演古装剧，并挑战一人分饰两角。 2005年4月23日，韩国恐怖电影《笔仙》在日本上映，优香为片中的女一号“李玉甄”进行了配音，这是她首次为真人电影配音。 2006年，优香与香里奈、椎名桔平主演了由清水崇执导的恐怖片《轮回》，她在片中扮演被卷入35年前一起离奇杀人案的新人演员“杉浦渚”，这是其首次主演恐怖电影。 2007年，优香与松冈昌宏搭档，主演了由浜本正机执导的美食类电视剧《新美味大挑战》。 2009年，参演了由高桥伸之、麻生学执导，相叶雅纪、村上信五、北村有起哉等参与演出的家庭情感剧《我的女孩》，饰演相叶雅纪的前女友“冢本阳子”。 2010年，优香与向井理合作，出演了根据太宰治的同名短篇小说改编的电视剧《黄金风景》。 2011年，参演了由佐藤东弥执导，北川景子、小出惠介等主演的战争剧《这个世界的角落》。 2012年1月10日，主演的爱情喜剧《今日大吉》首播，这是优香时隔12年再次担当电视剧的主演，她在剧中饰演有过在婚前失恋痛苦经历的婚礼策划师“山井多香子”； 4月19日，与锦户亮合作的家庭电视剧《爸爸是偶像》首播，优香出演有着三个小孩的单亲妈妈“花村遥”； 4月21日，优香参与配音的动画电影《给小桃的信》上映。 2013年5月25日，与浜野谦太、草刈正雄主演了美食类电视剧《减肥大作战》； 10月3日，与三浦贵大主演了爱情电视剧《白马王子纯爱适龄期》，优香饰演为单身而感到焦急的32岁温柔教师“原多香子”。 2014年1月18日，优香搭档水岛宏、刚力彩芽、山本美月等，主演了由大谷健太郎、佐藤敬一联合执导的悬疑惊悚电影《黑执事》，饰演散发着妖艳魅力的单身女郎“若槻华惠”。 2015年，参演了由三谷幸喜执导，绫濑遥、香取慎吾主演的科幻喜剧片《银河街道》。 2016年1月9日，参演了由石桥冠执导，竹野内丰、江口洋介、小池荣子等主演的剧情片《人生的约定》； 1月17日，由斋藤工、洼田正孝领衔主演的推理电视剧《临床犯罪学者火村英生的推理》首播，优香在剧中饰演了京都府警搜查一科刑警“小野希”，这是其首次挑战刑警角色； 4月2日，与中山裕介、朝加真由美等主演了由森雅弘、竹村谦太郎执导的悬疑电视剧《火星》，在剧中饰演性格开朗乐观的主妇“梶间雪见”； 9月17日，由山下敦弘执导，小田切让、苍井优、松田翔太等主演的剧情片《跨越栅栏》上映，优香在片中饰演了小田切让曾经的妻子“尾形洋子”； 9月23日，优香接拍了悬疑电影《羊之木》，该片将于2018年上映。