大分県大分市出身。アミューズ所属。母は書家の深津諭美子。愛称は、ふかっちゃん。

1986年（昭和61年）、東京・原宿で行われていたミス原宿グランプリ（コンテスト）に参加し優勝をしたのをきっかけに芸能界デビュー（当時13歳）。
   
1988年（昭和63年）3月26日公開の映画『1999年の夏休み』でスクリーンデビュー。同年、JR東海の「HOME-TOWN EXPRESS・クリスマスバージョン」（クリスマス・エクスプレス'88）CMに15歳で起用され、広く認知される。
   
当初アイドル・歌手活動もしていた（深津絵里と高原里絵を併用していた期間がある）。同期歌手デビューに田村英里子、島崎和歌子、中山忍、星野由妃、マルシア、千葉美加、川越美和などがいた。（歌手としてミュージックステーションに出演した事がある）
   
堀越高等学校卒業。堀越に編入ではなく、新入学する前は、日本音楽高等学校に在籍していた。
   
1996年（平成8年）には初主演映画である『（ハル）』が公開。
   
初主演ドラマは1990年（平成2年）TBSで放送された『パラダイスにっぽん』（戸高正啓演出）。1997年（平成9年）にフジテレビで放送された『踊る大捜査線』に恩田すみれ役でレギュラー出演し、同ドラマがブームとなったこともあり認知度も高まった。
   
1998年（平成10年）、ドラマ『きらきらひかる』では主演を務め1999年、2000年にはスペシャルドラマも放送された。
   
2002年（平成14年）、主演ドラマ『恋ノチカラ』は女性の共感を呼び、毎年冬になると再放送されている。
   
2003年（平成15年）に公開された『踊る大捜査線 THE MOVIE 2 レインボーブリッジを封鎖せよ!』、『阿修羅のごとく』の2作品で第27回 日本アカデミー賞に助演女優賞としてノミネートされ、『阿修羅のごとく』で最優秀助演女優賞を受賞した（ただし、授賞当日は舞台中であったためテレビ電話での出演となった）。
   
2006年（平成18年）、動画配信サービスGyaOで『深津絵里のblack comedy ブラコメ』がインターネット上で配信され、翌2007年（平成19年）にDVDが発売された。
   
2008年（平成20年）、主演舞台『春琴』で第43回紀伊國屋演劇賞 個人賞を受賞。同舞台は2009年（平成21年）、イギリス・ロンドンのバービカン・センターと東京・三軒茶屋の世田谷パブリックシアターで再演された。
   
2009年（平成21年）、2008年（平成20年）に公開された映画『ザ・マジックアワー』で第3回 アジア・フィルム・アワードの主演女優賞候補に選ばれ、香港での授賞式に出席した。
   
2009年（平成21年）初夏には13年ぶりとなる主演映画『女の子ものがたり』が公開。
   
2010年（平成22年）映画『踊る大捜査線 THE MOVIE 3』が7月3日に公開、映画『悪人』が9月11日に公開。この映画『悪人』で第34回モントリオール世界映画祭最優秀女優賞、並びに第34回日本アカデミー賞最優秀主演女優賞を受賞（尚、日本アカデミー賞での最優秀主演/助演女優賞のダブル受賞は桃井かおり・大竹しのぶ・小柳ルミ子・倍賞美津子・原田美枝子・和久井映見・樹木希林に次いで史上8人目）。
   
2011年（平成23年）秋には主演映画『ステキな金縛り』が公開された。
   
2015年（平成27年）、主演映画『岸辺の旅』が、第68回カンヌ国際映画祭「ある視点部門」に正式出品される。