2003年，与浅野忠信共同出演电影《我的爷爷》，讲述了14岁的小女孩五代珠子和刚从监狱出来从未见过面的爷爷的故事。

2005年在大河剧《义经》中，石原里美出演了静御前。历史上的静御前，身为为贵族武士们献舞的白拍子，美貌且深具反抗精神，至死都深爱着丈夫源义经。

2009年，出演日本NHK电视台的13集特别历史剧《坂上之云》，该剧描述松山藩出身的秋山好古和秋山真之兄弟，以及自幼一起长大的文学家正冈子规的故事，时代背景为明治时期的日本。其在剧中饰演真之的妻子。

2010年，和吉冈秀隆共同出演由田中健二执导的历史剧《大佛开眼》。该剧讲述日本奈良时代历史上的女天皇孝谦天皇和日本著名遣唐使吉备真备的故事，剧中服饰和建筑都颇具唐风。

2012年，与阿部宽出演由道尾秀介的小说《乌鸦的拇指》改编的同名电影。讲述了一个被高利贷压迫的走投无路的五个人偶然共处同一屋檐下，几人企图复仇但结局神逆转的故事。

2012年，与小栗旬主演的电视剧《富贵男与贫穷女》在日本首播，饰演东大毕业生夏井真琴。小栗旬和石原里美也因此剧分别获日剧学院赏最佳男主角和女配角。

2014年，与松本润、水川麻美主演的电视剧《失恋巧克力职人》在日本首播，饰演小妖精高桥沙绘子。该剧获日本连续剧Award 2014年冬第一名。

2015年和山下智久出演《朝五晚九：俊俏和尚爱上我》。该剧在中国人气高涨，掀起一阵“我要嫁给和尚”的狂潮。石原里美为观众贡献了一部霓虹味的“玛丽苏神剧”。她在剧中是一位职场达人，一套由石原妹子编撰的《职场搭配法则》就这么诞生了。官方身高仅有157厘米的她，通过灵巧的搭配穿出了167厘米的感觉，干练的职场风还散发出几丝森女的气息。

2015年，与三浦春马、水原希子联合出演的漫改电影《进击的巨人》真人版在日本上映 ，饰演调查兵团分队长韩吉。接着，石原还主演了《进击的巨人》真人版手机剧。

2015年9月，出演哥斯拉系列最新电影《新哥斯拉》，该片上映4天票房破10亿日元，并荣获第29届东京国际电影节特别感谢奖。

2016年，主演NHK战争题材新剧《战舰武藏》。主演10月期NTV水十档日剧《校阅女孩河野悦子》。参演中村义洋导演的影片《忍者之国》，在片中饰演主人公无门的妻子阿国。