2002年中学二年级的时候，在篮球部活动结束回家时，被星探发掘，但因当时根本搞不清对方在说什么而拒绝了。一个月后SWEETPOWER的社长亲自到家里来游说，才决定加入演艺圈。
《电车男》剧照
2004年2月，凭借电影《渋谷怪谈2》，首次担任电影主演。
2005年6月，出演电视剧《电车男》，饰演男主角的妹妹。同年，担任第84回全国高等学校足球选手权打回的第一代应援经理人。同年10月，与山下智久、龟梨和也合作，在电视剧《野猪大改造》中饰演女主角，获得关注 。同年，在电影《永远的三丁目的夕阳》中的演技获得好评，凭借该片获得第29回日本アカデミー赏新人俳优赏等奖项。
《野猪大改造》剧照
2007年7月3日，在播出的《偷偷爱着你》中饰芦屋瑞稀。2008年，首次出演大河剧，在NHK大河剧《笃姬》中饰演和宫一角。同年10月，首次主演富士电视台月9电视剧，在《爱无罪》中饰演秋山佳音。
2009年3月，主演富士电视台电视剧《Chance!~她成功的理由~》，饰演河村珠希 。同年4月，主演富士电视台火九的春季日剧《家有六子》，饰演峰田千里。12月29日，为动画电影《雷顿教授与永远的歌姬》中的角色路克少年配音。
2010年，通过舞台剧《ジャンヌダルク》，首次实现舞台剧演出，并担任主演。同年3月27日，与松山健一、手越祐也等人合作，主演汉斯·卡诺萨执导的爱情电影《谁吻了我》，饰演Naomi 。同年10月，出演古装电影《大奥：女将军与她的后宫三千美男》，饰演阿信 。
《小梅医生》剧照
2012年1月，出演山崎贵执导的电影《永远的三丁目的夕阳之1964》。4月，在NHK平成24年度前期连续剧小说《小梅医生》中，没有试镜就直接被选拔为女主角。年末12月，担任《第63回NHK红白歌合战》的红组主持人。
2013年9月，出演由中居正广主演的电影《ATARU：最初的爱恋与最后的杀戮》。10月，主演富士电视台火九电视剧《飞行员小姐》，饰演女飞行员手冢晴 。同年12月，主演吉田恵辅执导的电影《与麦子》，饰演立志成为声优的主角小岩麦子 。同年，在CMNOW举办的《读者评选电视广告大奖》中，连续10年入选最佳十位女性艺人。
《飞行员小姐》剧照
2015年1月，主演医疗题材电视剧《纯白》，饰演护士有村朱里 。5月，主演舞台剧《岚が丘》。8月，与成宫宽贵共同主演电视剧《与妻共飞的特攻兵》，饰演飞行员的妻子内山房子。同年12月31日，由所在事务所经营的官方粉丝俱乐部“ほりきたコレクション”正式关闭。
2016年1月13日，主演电视剧《彼岸花~警视厅搜查七课~》，饰演来宫渚 ，并于2月20日，以该剧中的角色来宫渚的身份，在龟梨和也主演的电视剧《怪盗山猫》第6集中客串 。
2017年2月28日，堀北真希发表声明，表示已为人母的她，为了全力守护与家人的幸福，决定退出演艺圈 。
堀北真希在同年龄段的女星中一直以拥有“神秘的透明感”而保持高人气，清纯派女神的形象深入人心。在演技方面她虽然不太出众，但给人一种笨拙的努力感，这正是日本观众最喜欢的特质。 （中国台湾网评论）
一头短发、眼神倔强，这是很多人对堀北真希的第一印象。她在17岁那年主演了日剧《野猪大改造》，从此跻身人气女星之列，更成了不少人心目中的“日剧女神”。不过，25岁前的她，靠着少女的灵气塑造出多个经典角色，但戏路的同质化也让她面临“演什么都是本色演出”的批评。她尝试过转型，出演了大河剧《笃姬》和晨间剧《小梅医生》，在电影《白夜行》中更是尝试恶女角色，然而都难以给观众留下新的印象。（羊城晚报评论）
