エリートモデルルック 日本代表を経て、雑誌モデル として活躍。
その後、牧瀬里穂 が同系列事務所所属時に、演技講習を受けていたこともある関係から、1997年には「北区 つかこうへい 劇団 」に入団し、女優に転向。『寝取られ宗介'98』で女優デビューする。
1999年 には、つかの代表作でもある蒲田行進曲 でヒロインを務めた[2] 。同劇団在籍時からテレビでの活躍が多くなり、2001年 、フジテレビ 系『ココリコミラクルタイプ 』でバラエティに初出演し、一躍人気を獲得。女優としても、同時期にNHK朝の連続テレビ小説 『ちゅらさん 』に出演し、ヒロイン・古波蔵恵里 の恋敵となるクールな女医を好演。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。
2002年 公開の初出演映画『阿弥陀堂だより 』において、2002年第48回『キネマ旬報賞』新人女優賞、第45回『ブルーリボン賞』新人賞、2003年第26回日本アカデミー賞 新人俳優賞を受賞。喋ることが出来ない、難病を抱える少女役を演じた実績が認められての受賞。
2006年 6月16日 に、2000年 頃から6年をかけて撮影した、自身初の写真集『27』を発売。ただし、本人曰く「写真集は一生に一回でいい」とのこと。
香川県 の讃岐うどん をテーマにした映画『UDON 』（2006年 8月26日 公開：東宝 、フジテレビ ）ではユースケ・サンタマリア と共に主役を演じる。また、この映画のカンヌ国際映画祭 の新作映画ラインナップ発表会が2006年5月20日 （日本時間21日）に行われ、ユースケ・サンタマリア と共に出席した。
2006年 より出演したアサヒビール 製造・販売の第3のビール 「ぐびなま」のCMが反響を呼んだ。この年は、日本地ビール協会によるアンケートで2006年の「ビールが似合う女優」第1位、2006年 6月 のCM好感度調査でも第2位に選ばれた。
2007年 3月28日 の放送で『ココリコミラクルタイプ 』を卒業する。
2007年 には、TBS 系列のドラマ『きらきら研修医 』で連続ドラマ初主演を果たした。その役作りのため、デビュー以来では初めてショートカット になった（本人によれば、40cm近く切ったとのこと）。2007年2月より、九州新幹線 「つばめ 」のイメージタレントに起用された。
2008年 3月19日、映画『Sweet Rain 死神の精度 』の主題歌「Sunny Day 」で、劇中の役名である藤木一恵名義でDefSTAR RECORDS から歌手デビュー。2008年 3月31日付オリコン 週間シングルチャートで初登場10位を獲得。
2009年 『のんちゃんのり弁 』で、毎日映画コンクール 女優主演賞受賞。
2006年 から開かれているオリコン による「憧れの小顔美人ランキング（小顔クイーン ）」では初代クイーンに。以後は、ずっと2位をキープ[3] 。10頭身の持ち主。
2010年 11月4日 発売の女性セブン （11月11日 号）に、福山雅治 と年内結婚との報道がなされたが、小西本人および事務所はそのことを否定している[4] 。