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2003年1月，在富士台的月九档电视剧《永远两个人》最终回中亮相，这是她首次出演电视剧，亮相时间只有大结局中的几秒钟。同年7月，在电影《拯救宇宙》的女主角试镜中合格，并通过该电影出道。10月，在电视剧《手机刑事-钱形舞》中，首次担任电视剧的主演。
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。
2006年4月，在TBS电视剧《欺诈猎人》中，饰演女主角吉川氷柱。同年10月，凭借电视剧《铁板少女小茜》，首次担任地上波电视剧的主演。这一年堀北真希18岁高中毕业，虽然也想过要考大学，但还是决定专心做演员。
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。
2011年1月19日，主演改编自东野圭吾同名推理小说的悬疑电影《白夜行》，饰演唐泽雪穗。同年4月，主演改编自龙门谅、惠广史所著同名漫画作品的电视剧《出生》，饰演林田爱美。同年，还与阿部宽合作，出演电视剧《幸福的黄手帕》，饰演小川朱美。
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。
2014年8月，出演山室大辅执导的亲情类电影《父亲的背影》，挑战警察类角色丸井三冬。10月，接拍日本台单集特别剧《彼岸花：女人们的犯罪档案》，饰演毒舌刑警。10月还出演了小泉尧史执导的古装电影《蜩之记》，饰演户田薫。
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。
2009年，堀北真希和男演员山本耕史通过共同出演电视剧《家有六子》而相识。
2015年5月，通过共演舞台剧《岚が丘》开始交往，8月22日，提交婚姻入籍报告。
2016年6月，正式宣布怀孕。12月17日，香取慎吾在主持的节目《SmaSTATION！！》中，抢先报告好友山本耕史夫妻迎接宝宝诞生的好消息。
2019年4月28日，其丈夫山本耕史公开了堀北真希已经顺利诞下第二个孩子的消息。
堀北真希的娘家共有3姐妹，双亲在她读小学时就离婚，由母亲抚养她，2个妹妹则跟爸爸生活。
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