Nata nella prefettura di Shiga, come la più giovane di due gemelle e la seconda di tre figli. Mostra poco interesse nei riguardi della scuola, sognando inizialmente d'intraprendere una carriera come astronauta. I primi manga letti sono frutto di acquisti dei parenti: Dragon Quest: Dai no Daibōken, amato dal fratello e le serie di Fuyumi Soryo di sua madre. Ai manga preferisce gli anime, soprattutto i film dello Studio Ghibli, come Nausicaä della valle del vento, il suo preferito. La sua passione si tramuta nel desiderio di diventare un'animatrice. Negli anni scolastici disegna spesso yonkoma per far sorridere la sorella. Le due frequentano lo stesso istituto scolastico e possono incontrarsi durante le pause.
A diciassette anni tenta senza successo di trovare lavoro nel campo d'animazione. Dopo essersi diplomata al liceo si trasferisce a Tokyo dove inizia la sua carriera da animatrice, ottenendo ruoli marginali come in "Kochira Katsushikaku Kameari Kouenmae Hashutsujo". Hoshino non si sente soddisfatta del suo lavoro, vorrebbe essere padrona delle proprie creazioni, decidendo alla fine di lasciarlo. Segue la sorella e si trasferisce a Kyoto. La situazione non sembra migliorare, ottiene solo dei piccoli lavori part-time, ma un giorno riceve il consiglio di dedicarsi ai manga, lo segue con perseveranza.
Nel 2002 debutta con "Zone", l'opera breve viene pubblicata nel mese di dicembre sulla rivista Akamaru Jump. L'anno seguente pubblica il manga one-shot "Continue" (Kontinyū) sulla rivista Weekly Shonen Jump della casa editrice Shueisha nel mese di luglio. Il manga parla di un tredicenne in lotta con i mostri venendo ucciso da loro, per poi tornare in vita e combattere. I redattori le consigliano di creare una nuova serie basandosi su "Zone" in quanto "Continue" non ha avuto il risalto sperato. Il 31 maggio 2004 inizia la serializzazione di "D.Gray-man", la sua opera più rappresentativa. La serie ha una vita travagliata: inizia su Weekly Shōnen Jump per poi essere spostato prima su Akamaru Jump il 17 agosto 2009 e poi sul mensile Jump Square dal novembre dello stesso anno fino al dicembre 2012 e su Jump SQ.Crown dal giugno del 2015.
Le cause di questi spostamenti sono dovute alla stato di salute dell'autrice. Inizialmente le sospensioni erano contenute, di poche settimane causate da una diversità di problemi: dall'aver contratto il norovirus, a un fastidioso dolore al collo e un infortunio occorso al polso. L'ultima sospensione, avvenuta l'11 maggio causerà il primo dei diversi cambiamenti di rivista. Il manga ottiene diverse trasposizioni televisive: la prima, iniziata nel 2006, termina nel 2008 dopo oltre 100 episodi. Una seconda, intitolata "D.Gray-man HALLOW", è una breve serie di tredici episodi trasmessi nel 2016. Nel 2013 cura il character designer originale per "Valvrave the Liberator", serie televisiva prodotta dalla Sunrise.
All'inizio della sua carriera il suo volto non era stato reso noto pubblicamente e nell'immaginario dei suoi fan si credeva fosse un uomo, teoria rafforzata da come i suoi editori si rivolgevano a Hoshino. Durante la sua prima visita ufficiale in Germania nel 2008 questa credenza venne smentita. In passato è stata assistente di Mizuki Kawashita, mentre durante la serializzazione di D.Gray-man si è avvalsa della collaborazione in qualità di assistenti di Yūki Satō e Kondo Kenichi.
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