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。
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]。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。
据台湾媒体报道,日本男星山下智久和石原里美传出9月宣布结婚!两人2015年合作《朝5晚9》爆热恋,随后多次被目击进出女方香闺,2016年底还传过可能选在平安夜、也是女方生日当天结婚,美男美女的恋爱备受外界高度关注,现在传出小两口结婚被经纪公司认可,被看好会在9月底发表喜讯,消息火速成为推特热门话题。
据日媒《周刊实话》报道,现年30岁的石原里美正在宣传新片《忍者之国》,戏里扮演人妻,受访时频频说出惊人之语,包括“30岁以后,要珍惜重要的人”,以及“我已经到演夫妻的年纪了,要演这样的角色,我的心境也要符合才行”,甚至提到现实生活中,能够每天为孩子准备便当,揣摩人妻角色会更容易,尤其说“30岁以后,我想到很多私人要完成的事,想做什么工作反而想不起来”,对演艺圈似乎毫不恋栈,有记者透露,以纯粹为电影宣传来说,这些发言堪称相当罕见。