2005年（平成17年）3月1日、ティーン向けのファッション雑誌『Hana*chu→』（主婦の友社）4月号で新モデルとして登場し、専属モデルを務める[注 1]。同年、ミスマガジン2005グランプリを獲得。当時14歳であり、ミスマガジン史上最年少および平成生まれ初のグランプリ受賞者となる[6]。同年7月17日、ドラマ『恋する日曜日「夏の記憶」』で単発ドラマ初主演。
2007年、映画『幸福な食卓』の中原佐和子役で映画初主演。1月27日、バラード曲「桜舞う」を着うた配信限定でリリースし、歌手業にも挑戦。6月、ドラマ『ライフ』の椎葉歩役で、連続ドラマ初主演[7]。また、第86回全国高等学校サッカー選手権大会の応援マネージャーを務めた。堀北真希、新垣結衣に続く3代目となったが、同大会のテレビ中継主幹局である日本テレビ以外の放送局が制作したドラマでブレイクした女優が選ばれたのは、北乃が初である[注 2]。
2008年、『幸福な食卓』で第31回日本アカデミー賞新人俳優賞[8]、第29回ヨコハマ映画祭最優秀新人賞[9]、第17回東京スポーツ映画大賞新人賞[10]を、『ライフ』で第45回ゴールデン・アロー賞新人賞を受賞[11]。
2010年2月24日、avex traxからシングル「サクラサク」でCDデビューを果たした。
2011年1月、第25回日本ゴールドディスク大賞「ザ・ベスト5ニュー・アーティスト」（邦楽部門）に選出[12]。2011年にドラマ『トイレの神様』にて植村花菜役を演じ[13]、ドラマ『アンフェア』のスピンオフ作品となるドラマ『アンフェア（ダブル・ミーニング）』シリーズに主演[14][15][16]。
2012年5月23日放送の『ヒルナンデス!』にてケガをしているとコメント、25日発売の雑誌『フライデー』にて足の靭帯を損傷していることが報道され[17]、6月6日付の公式ブログで足を痛めていることを発表した[18]。
2014年9月29日、関根麻里の後任として日本テレビ系『ZIP!』の総合司会を担当する[19][注 3]。
2015年5月、『ザ・テノール 真実の物語』で第20回ミラノ国際映画祭の助演女優賞にノミネートされる[21]。
2018年5月、『人形の家』で舞台初主演[22]。また歌唱力を活かして、戯曲リーディング『イザ ぼくの運命のひと / PICTURES OF YOUR TRUE LOVE』 イザ 役で主演[23]、ミュージカル「ハル」ではヒロイン[24]。
近年は舞台作に多く参加し、2019年『ウエスト・サイド・ストーリー』[25]、2020年にはシェイクスピア喜劇『真夏の夜の夢』に出演する[26]。
2022年、連続ドラマ『おじさんが私の恋を応援しています（脳内）』主演[27]。また、映画『おしょりん
』に主演、来秋の公開が予定されている[28][29]。