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世界初のオーディション体験型ゲームコンテンツマシン「スタアオーディション」で、オーディション史上最多の300万人が参加した第1回グランプリを獲得し、芸能界デビュー。主な出演作は、2001年映画「ウォーターボーイズ」、2003年映画「ジョゼと虎と魚たち」、2006年映画「涙そうそう」など。2009年、NHK大河ドラマ「天地人」では主役を務め直江兼続を演じた。2010年、殺人犯を演じた映画「悪人」では、第34回日本アカデミー賞最優秀主演賞、第53回 ブルーリボン賞主演男優賞を受賞。2017年に映画「愚行録」「奥田民生になりたいボーイと出会う男すべて狂わせるガール」で主演を務め、2018年に映画「来る」、舞台「贋作・桜の森の満開の下」に出演。

2000年第5回「東宝シンデレラ」オーディショングランプリを受賞、同年映画「クロスファイア」でデビューする。2003年映画「ロボコン」で初主演を務め、第27回日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞。2004年映画「世界の中心で、愛をさけぶ」では第28回日本アカデミー賞最優秀助演女優賞、話題賞などを獲得する。2005年映画「タッチ」、2006年「ラフ　ROUGH」に主演、同年「涙そうそう」で第30回日本アカデミー賞優秀主演女優賞を受賞する。テレビでは2005年TBSドラマ「ドラゴン桜」、2006年NHK「功名が辻」、TBS「セーラー服と機関銃」、2007年「ハタチの恋人」、2008年フジテレビ「ラスト・フレンズ」にレギュラー起用される。2011年舞台「クレイジーハニー」、2013年「ライクドロシー」、2014年「紫式部ダイアリー」に出演。2016年NHKドラマ「真田丸」、映画「金メダル男」「グッドモーニングショー」に出演する。趣味は読書、鑑賞全般。

TBSドラマ「高原へいらっしゃい！」、テレビ朝日ドラマ「生徒諸君！」、フジテレビドラマ「恋して悪魔～Vampire☆Boy～」、テレビ東京ドラマ「みんな！エスパーだよ！」に出演し、NHKEテレ「メタロー～キオクころころ～」では主演ソウタ役を演じた。映画では「嘘つきみーくんと壊れたまーちゃん」「悪の教典」「永遠の0」などに出演し、「ヒミズ」「不気味なものの肌に触れる」「WOOD JOB！（ウッジョブ）～神去なあなあ日常～」では主演を務めた。受賞歴には第3回TAMA映画賞・最優秀新進男優賞、第68回ヴェネチア国際映画祭マルチェロ・マストロヤンニ賞、2013年エランドール賞新人賞、第36回日本アカデミー賞新人俳優賞などがある。

第9回ホリプロタレントスカウトキャラバンで審査員特別賞を受賞し芸能界デビューした女優。テレビドラマ「東京ラブストーリー」で脚光を浴びた。

1990年、｢バタアシ金魚｣でスクリーンデビュー。2003年、映画｢地球で最後のふたり｣で第60回ヴェネチア国際映画祭主演男優賞受賞。2010年、映画｢ヴィヨンの妻～桜桃とタンポポ～｣、映画｢劔岳　点の記｣で、第33回日本アカデミー賞優秀主演男優賞をダブル受賞する。2014年には、映画｢私の男｣で第36回モスクワ国際映画祭コンペティション部門最優秀男優賞を受賞 。2016年10月、映画｢淵に立つ｣が全国ロードショー。2017年には映画｢幼な子われらに生まれ｣が公開予定。また、初監督作品｢トーリ｣がDVDとなって発売中。

2016年、WOWOWドラマ「コールドケース～真実の扉～」に出演。映画では、2016年「64-ロクヨン-」の前編、後編に出演したほか、「葛城事件」に出演し活躍。CMでは洋服の青山、FUKUYAグループ、明治「プロビオヨーグルトPA-3」、トヨタ「TNGA」に起用された。