Kimura nació el 10 de abril de 1976 en la ciudad de Londres, Reino Unido,[3] pero creció en Setagaya, Tokio.[1] Kimura vivió también tres años en Nueva York debido al trabajo de su padre.[4] Asistió al departamento de literatura inglesa y arte de la Universidad de Seijo, pero no se graduó.[5]
Debutó como actriz en 1996 en la serie de drama Genki o Ageru: Yūmei Kyūkyūi Monogatari. Al año siguiente hizo su debut cinematográfico con la película Shitsurakuen, rol por el que ganó un premio de la academia japonesa en la categoría de mejor actriz nueva.[1] En 2004, Kimura fue nombrada embajadora de relaciones públicas entre Japón-Corea y, en 2005, también fue embajadora de turismo en un intercambio cultural entre Japón-Australia.
En 2007, Kimura interpretó a Teresa Teng en la película para televisión de TV Asahi, Teresa Teng Monogatari.[6] En 2008, interpretó a Kazusa y Aoi Monzen en la película Orochi: Blood, basada en la serie de manga homónima.
El 23 de octubre de 2010, Kimura contrajo matrimonio con su novio de dos años, el también actor Noriyuki Higashiyama, con quien había protagonizado la película Saraba, Waga ai Haōbekki en 2008.[11][12] El 3 de mayo de 2011, Kimura anunció que estaba embarazada de tres meses. El primer hijo de la pareja, una niña, nació el 4 de noviembre de 2011.[13] El 29 de mayo de 2013, Kimura anunció el nacimiento de su segunda hija.[14]