東京都中野区の生まれ。結婚後の名字は非公開だが、旧姓の本名は山田麻衣。父親の仕事の関係で11歳からの６年間をアメリカ・シカゴで暮らす。1992年夏、ニューヨークでミュージカル『ミス・サイゴン』を観劇した時にカメラマンの会田我路にスカウトされる。芸能活動を決意した８月にちなんで、芸名を“葉月里緒菜”とし、93年、山田太一原作・脚本のTBSのドラマ『丘の上の向日葵』に抜擢。父が同じかもしれない青年（筒井道隆）と心を通わせる女子高生・信江役を演じ、女優デビュー作とは思えぬ堂々とした演技で注目される。同年、「お父さんなんて大嫌い」と叫ぶ大鵬薬品『チオビタドリンク』のCMが放送され、清冽な存在感を放つ芯の強い美少女ぶりが話題を集めた。テレビ朝日『真夜中を駆けぬける』93では早くも主演。各社のCMに引っ張りだこの人気者となり、満を持した形で篠田正浩監督「写楽」95に映画初出演を果たす。写楽（真田広之）と歌麿（佐野史郎）のモデルとなる花魁・花里役で、虚無的な無表情に秘めた遊女の熱情を表現し、逸材の価値を改めて見せつける。同年のNHK『ラスト・ラブ』での白血病のヒロインも評判を呼んだ。ここまで順風満帆のキャリアだったが、既婚俳優との恋愛が報じられると生来の率直な言動が批判を浴びる。バッシングの中、映画出演は続き、落合正幸監督「パラサイト・イヴ」97の人間に擬態した新生命体、石井隆監督「黒の天使 vol.1」98の復讐のヒロイン、篠田正浩監督「梟の城」99の伊賀忍者など多彩な役柄を演じる。98年、一般人と結婚するがスピード離婚。同年に篠山紀信撮影のヘアヌード写真集『RIONA』を発表して反響を呼ぶ。以後しばらくは、篠田正浩監督の引退作「スパイ・ゾルゲ」03や単発ドラマの助演がある程度で、活動を抑えた時期が続く。芸名を“里緒奈”に変えた2004年に再婚、長女を出産。07年の黒沢清監督「叫」で久々に映画復帰すると、高橋伴明監督「BOX／袴田事件・命とは」10では、自ら関わった死刑判決に苦しむ裁判官（萩原聖人）の妻役で新境地を開く。家庭を守るために夫を支える妻の、単に夫婦愛というだけではない烈しさを内から演じた。同年はNHK『とめはねっ！・鈴里高校書道部』でも高校生の母親役を好演。かつての奔放なイメージから母性を表現できる存在へと変貌を遂げている。