経歴
幼い頃より映画好きの母に連れられて映画館へ足を運び、映画女優を志す。12歳の時にフリーペーパー『沖縄美少女図鑑』Vol.4掲載のグラビアでデビュー。そのグラビアがマネージャーの目に留まり、沖縄に駆けつけたマネージャーによってスカウトされ芸能界入り。ローティーン向けファッション雑誌『ニコラ』の専属モデルを務めるなど、ファッションモデルとしてファッション誌や広告へ出演。
2007年にテレビドラマ『受験の神様』で女優としてデビュー。2008年12月、ソニーミュージックがプロデュースしたケータイ音楽ドラマ『DOR@MO』の1編『キミに歌ったラブソング』で初主演。2009年公開の役所広司初監督作品『ガマの油』でオーディションを経てヒロイン役に抜擢され劇場映画デビュー、「ポスト宮﨑あおい」として関係者の注目を集める。
沖縄と東京を行き来しつつ仕事をしていたが、高校進学を機に上京。
2011年にはロックバンド神聖かまってちゃんを巡る若者たちを描いた青春映画『劇場版 神聖かまってちゃん ロックンロールは鳴り止まないっ』で映画初主演し、第3回TAMA映画賞最優秀新進女優賞ならびに第26回高崎映画祭最優秀助演女優賞を受賞。また、第68回ヴェネツィア国際映画祭に出品された園子温監督作品『ヒミズ』で、最優秀新人賞にあたるマルチェロ・マストロヤンニ賞を受賞。2013年には映画『ヒミズ』『悪の教典』での演技により第36回日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞。また出演映画3作品（『脳男』『地獄でなぜ悪い』『四十九日のレシピ』）での演技が評価され、第35回ヨコハマ映画祭および第56回ブルーリボン賞にて助演女優賞を受賞。また、2013年3月には舞台『八犬伝』で初舞台を踏む。
高校3年生だった2012年から2013年にかけては複数の映画やテレビドラマの撮影で多忙を極めたことから、現役での大学受験を断念。撮影現場にも参考書を持ち込んで受験に備えると、2014年、一浪で慶應義塾大学総合政策学部にAO入試での合格を果たす。
2014年には映画『私の男』でこれからの活躍を期待する若手俳優に贈られるニューヨーク・アジア映画祭ライジング・スター・アワードを日本人で3人目の受賞。また、日本映画テレビプロデューサー協会よりその年に最も活躍した将来有望な俳優に贈られる2015年エランドール賞新人賞も受賞した。
2016年1月より日本テレビ『ぐるぐるナインティナイン』の人気コーナー「グルメチキンレース・ゴチになります!」パート17にコーナー史上最年少の新メンバーとして出演し、同時にバラエティ番組へ初のレギュラー出演となった。出演を引き受けた理由について「知名度を広めたい、と思いまして…」と回答している。2017年のパート18にも引き続き出演し、「お芝居の方に集中させていただきたい」として同年11月23日放送分をもって卒業するまで2年間レギュラーを務める。
2016年9月23日に、日本テレビ系金曜ロードSHOW! 特別ドラマ企画『がっぱ先生!』でテレビドラマ初主演。
2017年11月23日放送の『ぐるぐるナインティナイン』において、「ゴチになります」を卒業することを発表。
2018年放送のNHK大河ドラマ『西郷どん』では、西郷隆盛の2番目の妻で西郷が奄美大島に流刑となったときの島妻となる愛加那役を好演し、西郷役の主演・鈴木亮平からは「感性のバケモノ」と称賛を受ける。
一方で、『JILLE』（双葉社）、『POPEYE』（マガジンハウス）、『NYLON JYAPAN』（カエルム）などのファッション誌に連載を持ち、『小説新潮』（新潮社）に小説「只今 文筆修行中」を執筆するなどの文筆活動を行い、2018年4月にはファッションモデルのモトーラ世理奈を被写体として写真集「月刊シリーズ」の復刊となる『月刊モトーラ世理奈・夏 写真 二階堂ふみ』（小学館）を発表し、写真家としてもデビューを果たす。
写真集「月刊」シリーズの復活版『月刊コムアイ』で、友人でもある水曜日のカンパネラのコムアイを撮影しカメラマンを務めた。
2019年4月スタートの『ストロベリーナイト・サーガ』（フジテレビ）で連続ドラマ初主演。
人物
憧れの俳優にブリジット・バルドーやジーナ・ローランズ、高峰秀子、スティーヴ・ブシェミを挙げている。
音楽は洋楽好きであるが、ももいろクローバーZのファンでもあり、「アイドルが好きなんじゃない、ももクロが好きなんです」と語っている。まだグループが無名だった、ももいろクローバー（改名前の名称、メンバーは6人）の頃からライブに足を運んでいる。
受賞
- 2011年度
- 第26回 高崎映画祭 最優秀助演女優賞（『劇場版 神聖かまってちゃん ロックンロールは鳴り止まないっ』）
- 第3回 TAMA映画賞 最優秀新進女優賞（『劇場版 神聖かまってちゃん ロックンロールは鳴り止まないっ』）
- 第16回 日本インターネット映画大賞 ニューフェイスブレイク賞（『劇場版 神聖かまってちゃん ロックンロールは鳴り止まないっ』、『指輪をはめたい』）
- 2012年度
- 第68回ヴェネツィア国際映画祭 マルチェロ・マストロヤンニ賞<新人賞>（『ヒミズ』）
- 第36回日本アカデミー賞 新人俳優賞（『ヒミズ』、『悪の教典』）
- 第17回日本インターネット映画大賞 主演女優賞（『ヒミズ』、『悪の教典』）
- 2013年度
- 第35回ヨコハマ映画祭 最優秀助演女優賞（『地獄でなぜ悪い』、『四十九日のレシピ』、『脳男』）[2]
- 第56回ブルーリボン賞 最優秀助演女優賞（『脳男』、『地獄でなぜ悪い』、『四十九日のレシピ』）[3]
- 第23回東京スポーツ映画大賞 助演女優賞（『地獄でなぜ悪い』、『四十九日のレシピ』）
- 2014年度
- 第38回日本アカデミー賞 優秀主演女優賞（『私の男』）[4]
- 第6回 TAMA映画賞 最優秀女優賞（『私の男』）
- 第13回ニューヨーク・アジア映画祭 ライジングスター・アワード（『私の男』）
- 第39回エランドール賞 新人賞[5]
- 第24回 日本映画プロフェッショナル大賞 主演女優賞（『私の男』『ほとりの朔子』）