4人姉妹の末っ子として生まれました。
10歳の時、ジャネット・ジャクソンに憧れてダンスを始め、沖縄アクターズスクールに通っていました。
芸能界に入ったきっかけは、中学2年生の時、すぐ上の姉が東京から沖縄に来ていたスカウトの人に声をかけられ、姉が、黒木メイサさん本人が写っているプリクラを見せたところ「この子に会いたい」と興味を示して自宅まで訪れ、そのスカウトの人に会ったことだった。1年間は断っていたが、中学卒業時に芸能界入りと上京を決心しました。
15歳で上京し、同じ事務所に所属する若手女優たちと寮生活を送っています。

2004年に、女性ファッション雑誌『JJ』にモデルとして出演するようになりました。

同年2月には、つかこうへいさんの演出の舞台『熱海殺人事件・平壌から来た女刑事』に舞台初出演して主役を務めました。以降は女優として舞台、ドラマ、映画などに多数出演している。

2007年には、第44回ゴールデン・アロー賞新人賞を受賞します。
2008年からは、女優に加えて歌手としての活動も始めています。
2012年元KAT-TUNの赤西仁さんと結婚したと、所属事務所を通じてファクスで発表しました。また黒木さんが妊娠2か月であると報じられていた。結婚報道から、2か月以上過ぎたころに、所属事務所から妊娠4か月であることを正式発表。
報道各社に直筆のファクスを送信しました。

2012年、夫の赤西仁さん立ち会いのもと第1子となる女児を出産。

出産当日夜、夫婦連名のFAXで、第1子の誕生を報告しました。結婚時には披露宴などは行われなかったが、2016年に結婚パーティーを行ったことが報じられました。

2016年には、第2子妊娠を報告し2017年第2子の男児の出産をTwitterで報告しました。

2023年からは19年間所属したスウィートパワーを退所し、以後は海外を拠点に活動していくことを自身のTwitterにて明らかにして、同年12月に赤西仁さんと離婚したことを自身のInstagramにて公表しました。

黒木メイサさんの出身小学校は沖縄県 名護市立久辺小学校です。
子供の頃から気が強く、よく姉たちとケンカしていたそうです。
10歳の頃から「沖縄アクターズスクール」に通って、ダンスを習いはじめています。
ちなみにダンスをはじめたのは、ジャネット・ジャクソンさんに憧れたからです。

子供の頃からから大人っぽく見えていて、小学生時代にはバスで大人料金を払うように言われ、運転手と喧嘩したこともあるようです。

幼少期は天然パーマであることがコンプレックスだったそうです。

父親にストレートにしたいと相談したところ、「みんなお金を出してパーマにするんだよ」と言われてしまったようです。

黒木メイサさんの姉はパーマにしたいと言っていたため、「ないものねだり」という感覚を感じたそうです。

黒木メイサさんの出身中学校は沖縄県 名護市立久辺中学校です。
中学時代は帰宅部で、部活動などはおこなっていません。

その一方で黒木さんはストリートダンスに打ち込んでいたそうです。

中学2年生の時に姉が東京から来た所属事務所のスタッフに黒木さんのプリクラを見せたことから、スカウトされています。

ただし当時の黒木メイサさんは芸能界にあまり関心がなかったことから、断り続けていたそうで。しかし事務所の説得により、中学を卒業する頃には芸能界入りを決心しました。

黒木メイサさんの出身高校は東京都 日本女子体育大学附属二階堂高校です。

同校は芸能コースの設置こそないものの芸能活動に寛容なので、このところは在籍する女性芸能人が増えています。

高校に進学するタイミングで沖縄県から上京しています。
高校時代は人気ファッション誌「JJ」の専属モデルを務めていました。
当時の「JJ」のモデルでは最年少でした。

また高校に入学した2004年から本格的に女優としても活動しており、高校2年生だった2006年3月にはテレビドラマ「ある愛の詩」の主演に起用されています。

ちなみにこの高校では女優の堀北真希さんが同級生でした。

堀北真希さんとは同じ芸能事務所に所属しており、当時は同じ寮で生活していました。

また現在は親友として知られるふたりですが、意外にも堀北真希さんは高校時代の黒木メイサさんのプライベートは知らなかったと週刊誌に語っているように、当時はそこまでの仲ではなかったようですね。

黒木メイサさんは大学には進学していません。
芸能活動に専念しています。

当時は既にドラマや映画で主演を務めるほどの人気女優でしたから、勉強どころではなかったようです。

高校を卒業して芸能活動の幅も広がって、以降も多くのテレビドラマや映画に立て続けに起用されています。

堀北真希さんと仲良く仕事のことを相談できる関係だったようです。「メイサ」「真希」と呼び合うほどで、若い頃はよくカラオケや食事に行ったりしていたそうです。

また黒木メイサさんはよくプリクラを撮っていたそうです。