Debutta nel 1999 nel film di Kaneto Shindo Will to Live con il suo nome di battesimo Yuriko Kikuchi; due anni dopo è la protagonista dell’acclamato Sora no Ana (Hole in the Sky) di Kazuyoshi Komuri, presentato in numerosi festival internazionali. Nel 2004 appare nel film The Taste of Tea di Katsuhito Ishii, selezionato al Festival di Cannes.
Alejandro González Iñárritu la sceglie poi nel 2006 per il film Babel, che le fa guadagnare vari premi e una nomination all’Oscar come Miglior attrice non protagonista. Il debutto in lingua inglese arriva nel 2009 con The Brothers Bloom, di Rian Johnson, con Adrien Brody e Mark Ruffalo. Ha poi fatto parte del cast di 47 Ronin, accanto a Keanu Reeves, primo adattamento cinematografico in lingua inglese della più famosa storia del Giappone di lealtà e vendetta samurai. Negli ultimi due anni ha preso parte al film di Guillermo del Toro Pacific Rim (2013) e Kumiko, the Treasure Hunter di David Zellner.