(現・清須市)出身[2]。(当時)在学中、雑誌『ピチレモン』(学研)のジュニアモデルを経て中学3年で上京し、1997年に木村拓哉主演のドラマ『ギフト』(フジテレビ系)で女優デビュー[3]。1998年、日テレジェニックに選ばれた。同年11月、広末涼子の後任としてNTTドコモポケットベルのCMに起用された。シティフォンのCMを経て、2006年10月までiモードや携帯電話サービスのイメージキャラクターを務めた。1999年、『ベストフレンド』(テレビ朝日系)で、連続ドラマ初主演。2000年の前後に、10社以上のCMに登場、メディアで「CM女王」と呼ばれることもあった。2001年4月からは、「24人の映像クリエーターが、限られた時間と予算で、加藤を被写体に24パターンの30秒イメージCMを作る」というコンセプトの下に、『24人の加藤あい』というおちまさとプロデュースの冠番組がTBSで半年間放送されている。2001年10月、翌年1月から放送開始のドラマ『人にやさしく』(フジテレビ系)の製作発表会に出席したが、体調不良を理由に翌月降板を発表(代役は星野真里)。その後、2002年1月のNTTドコモ新CM制作発表会で、およそ3か月ぶりに公の場へ姿を見せた。女優業と学業の両立を果たし、2005年3月大学を卒業。卒論のテーマは、「国際法上のテロリストについて」[4]。大学卒業後は、『海猿』シリーズや『ハケンの品格』(日本テレビ系)など、映画・テレビドラマやテレビCMを中心に活動し、2009年4月からは、雑誌『with』で連載企画を始めた。テレビCMには、デビュー直後から安定したペースで出演。現在まで、NTTDoCoMo、カネボウ、イーオンなどの大企業を中心に、多数のCMへ登場している。8年間担当したNTTドコモのイメージキャラクターについては、「彼女の安定性を企業が高く評価している証拠」として、広告・映像業界でも高く評価された。インタビューなどで勉強家であることを公言していた高校時代には、朝日新聞や東進ハイスクールによる大学入試関連のキャンペーンにも登場。同新聞が発行していたタブロイド判の隔週刊紙『SEVEN』では、同世代を代表する形でコメンテーター陣に加わっていた。2010年、デビュー以来在籍していた所属事務所のムーン・ザ・チャイルドからサムデイへ移籍した。女性誌「an・an」2007年1月17日号に続き、「FRaU」2013年3月号で再び大胆なセミヌードを披露した。2013年11月14日、一般男性と結婚することを発表。婚姻届提出は11月22日(「いい夫婦の日」)に行われた[5]。2015年9月14日、アメリカで第1子女児を出産したことを明らかにした[6][7]。2017年5月放送の『貴族探偵』(フジテレビ系)第5・6回で、3年ぶりにドラマ出演[8]。2018年6月13日、第2子出産を公表[9]。趣味は海外旅行で、語学留学を経験したこともある。GyaOで配信された連続ドラマ『マンハッタンダイアリーズ』の撮影では、およそ10ヶ月にわたってニューヨークへ滞在していた[10]。コーヒーが大好きであり「一人になるときにコーヒーを飲むのが1番幸せな時間」というほど[11]。デビュー時のエピソード『ピチレモン』のモデルになる前に、14歳でリハウスガールのオーディションを受験。本名の加藤愛でインタビューを受けた際の映像が、『ASAYAN』(テレビ東京系列)で放送された。その後、『月刊デ・ビュー』に掲載された情報を見たことをきっかけに、両親に内緒で(前所属)事務所のオーディションへ応募。書類選考を通過した際には、事務所のスタッフが「(加藤を映した)ビデオだけでも送って欲しい」と母親を説得する一幕があったという[2]。前述のように、デビューしてから中学3年生の途中までは仕事のたびに実家から上京していた。