2000年，香里奈成为时尚杂志《
Ray》的专属模特，从而出道。2001年1月，出演了个人首部电视剧《
不平则鸣》。2002年，18岁的她离开了位于名古屋的模特事务所之后去东京发展。同年，在杂志《Ray》的9月号中，首次登上封面。
2004年8月，在电视剧《
2H》中实现首次主演。同年5月，出演个人首部电影《
深呼吸的必要》，并凭借该片在2005年获得日本电影影评大奖·新人奖。
2005年，发行了第一本写真集《KARINA》。同年4月，出演电影《
海猿》，并凭借该片获得第9回ニフティ电影大奖·新人奖。
2007年，发表自主婚纱品牌Sancta Carina。同年，首次在
TOKYO GIRLS COLLECTION展会上登场，之后的连续7年都有在该舞台登场。
2008年，通过TBS电视剧《
我最喜欢你》，实现了其电视连续剧的首次主演，并凭借该剧获得第56届日剧学院赏的最佳女主角。同年，发售了名为《I can.》的首组照片组。
2009年，与
黒木瞳合作主演职场励志类电视剧《
真我霓裳》饰演天野绢惠，在片中首次与两个姐姐作为“能濑三姐妹”同台演出。同年3月，女性时尚杂志《GINGER》创刊，香里奈与
山田优及
竹下玲奈等5名模特作为主力模特登场，之后成为该杂志的常驻模特。
2011年1月12日，主演电视剧《
美咲NO.1》，同年10月，首次主演富士电视台
月九剧《
我不能恋爱的理由》。同年，在运动励志类电影《
明日之丈》中担当女主角。同年，发售第三本写真集《One.》。
2014年，结束了就职了14年的时尚杂志《
Ray》专属模特职业。同年3月发售的同杂志5月号上，是香里奈最后一次登场。2015年10月，主演TBS电视剧《
婚礼的前一天》。
2017年1月12日，主演的冬季档富士电视剧《
被讨厌的勇气》播出；10月2日，主演的电视剧《
AI：我与女友与人工智能》播出。2018年，出演电视剧《
高岭之花》，饰演新庄千秋，第7话登场。时隔七年，在2月21日34岁生日当天发行写真集《G 香里奈》。
2020年1月14日，出演的电视剧《
将恋爱进行到底》播出，并凭此剧获得第104届日剧学院奖“最佳女配角”一奖。2021年，出演悬疑电视剧《
真凶标签》，饰演木幡由实。
香里奈是“能濑三姐妹”（均为模特、演员）的第三个女儿，长女为能世安奈（本名：能濑安奈），次女为英令奈（本名：能濑英令奈），三人住在一起，在《
真我霓裳》中三姐妹同台演出。
2010年6月，香里奈被爆出和日本演员
田中圭恋爱。12月，对于和田中圭热恋的报道，她彻底否定。
在亚洲电影大奖中，香里奈卷发长裙靓丽出场，可谓是气质十足的美女。在发行的日历中，香里奈展现了模特的时尚感、自身的活跃感以及女星的性感，浑身散发出成熟女人的魅力。（21CN娱乐、国际在线评）
在拍戏时，香里奈真的是非常认真而且很有礼貌。让人期待与她下次合作。（演员
黑木瞳评）