両親はともに俳優や歌手として活躍する水谷豊と伊藤蘭。幼少期からクラシックバレエを始め、インターナショナルスクール１年のときに英国にバレエ留学するも怪我のため夢半ばで帰国。失意の中、俳優養成所アクターズクリニックに参加し、演技の道へ進むことを決意する。2011年にTVドラマ「3年B組金八先生ファイナル　最後の贈る言葉」でデビュー。NHK朝の連続テレビ小説「とと姉ちゃん」（16）で注目を集める。主演映画「生きてるだけで、愛。」（18）で第42回日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞。他の主な出演作品に、映画「おとぎ話みたい」（14）、湊かなえ原作のTVドラマ「リバース」、映画「勝手にふるえてろ」（17）、TVドラマ「ブラックペアン」、映画「ホリック xxxHOLiC」「流浪の月」（22）などがある。