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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。

2008年映画「蛇にピアス」で主演を務め、「第32回日本アカデミー賞新人俳優賞」ほか数多くの受賞歴を持つ。2014年、NHK連続テレビ小説「花子とアン」でヒロインに抜てき。同年のNHK「第65回 NHK紅白歌合戦」では、紅組司会を任される。近年のテレビドラマ主演作は、2017年日本テレビ「東京タラレバ娘」、2018年日本テレビ「正義のセ」など。舞台「大逆走」「レディエント・バーミン」でも活躍し、2017年映画「ユリゴコロ」では「第41回アカデミー賞優秀主演女優賞」を受賞する。そのほか「サントリー」「江崎グリコ」「三井住友銀行」「ライオン」などのCMでも活躍。

香港でモデルとして活動を始め、映画「八月の物語」（’05）の主演に抜擢され、俳優デビューを果たす。その後、台湾に拠点を移し、数々のドラマ、映画、TVCM等に出演。日本ではNHK連続テレビ小説「あさが来た」（’15～’16）の五代友厚役で知名度を上げ、2017年エランドール賞・新人賞を受賞。また、自ら作詞・作曲・プロデュースを手掛け、アルバム「Cycle」を2016年にリリース。2017年には、主演映画「結婚」が公開。日本テレビ系ドラマ「今からあなたを脅迫します」で主演を務めた。7月には１st EP、12月には2nd EPをリリース。2018年2月には初の全国ツアー「History In Making 2018」を開催。2万人を動員。主演映画「海を駆ける」の他、映画「坂道のアポロン」「空飛ぶタイヤ」が公開。4月からはフジテレビ系ドラマ「モンテ・クリスト伯-華麗なる復讐-」の主演を務め、第12回「コンフィデンスアワード・ドラマ賞」主演男優賞を受賞。主題歌「Echo」を6月に2nd Singleとしてリリースし、「MTV VMAJ2018」にてミュージックビデオが「最優秀オルタナティブビデオ賞」を受賞。

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。

雑誌「andGIRL」のレギュラーモデル。雑誌「MAQUIA」、「BAILA」でもモデルを務める。フジテレビ「SMAP×SMAP」、「UFC TIME」、ドラマ「営業部長 吉良奈津子」、「突然ですが、明日結婚します」、TBS「恋んトス シーズン4」、「櫻井・有吉 THE夜会 総集編」、日本テレビドラマ「レンタル救世主」秦野いろは役で出演。ディズニーアニメーション「ファインディング・ドリー」の吹き替えを担当。趣味はカメラ、料理。特技はチアリーディング、スポーツ全般、書道。

「アミューズオーディションフェス2014」でWOWOWドラマ賞を受賞。2015年WOWOW「連続ドラマW『テミスの求刑』」、テレビ朝日「相棒Season14(第2話)」、2016年BSプレミアム「獄門島」、日本テレビ「家売るオンナ(最終回)」、2017年NHK「わろてんか」、2018年TBS「チア☆ダン」に出演。映画出演作は「超高速!参勤交代リターンズ」「36.8℃」「呪いうつり」「虹色デイズ」など。CMでは「Honda」「アサヒグループ食品『MINTIA』」に起用され、「コクーンシティ」では、イメージキャラクターを務める。特技はバレエ。2019年映画「あの日のオルガン」の公開を控えている。

1985年、化粧品キャンペーンガールに選ばれる。その後、1987年TBSドラマ「男女7人秋物語」、フジテレビドラマ「アナウンサーぷっつん物語」、2011年、NHKドラマ「カーネーション」、2016年、TBSドラマ「99.9%?刑事専門弁護士?」などに出演。映画では、1992年、「課長 島耕作」、2011年　映画「サラリーマンNEO 劇場版」などに出演。そのほか、2016年ちふれ化粧品「彩花」のCM にも出演し放映されている。2016年11月には、東映映画「疾風ロンド」が全国ロードショー。

WOWOW連続ドラマW「かなたの子」（2013年）、TBS「ごめんね青春！」（2014年）、NHK「破裂」、日本テレビ「偽装の夫婦」（2015年）、テレビ朝日「はじめまして、愛しています。」(2016年）など数多くのドラマに出演。映画では、「ノン子36歳（家事手伝い）」（2008年）、「スープ・オペラ」（2010年）、「中学生円山」（2013年）、「KANO～1931海の向こうの甲子園～」（2015年）、「TOO YOUNG TO DIE! 若くして死ぬ」（2016年）などに出演している。舞台では、2013年「わが闇」(再演)、「大パルコ人 バカロックオペラバカ『高校中パニック！小激突！！』」などに参加。Amazonプライムビデオ「東京女子図鑑」（第10話）にも出演。2014年からは雑誌「GLOW」でメイク連載ページに出演中。

NHK名古屋放送児童劇団に小学5年生から在籍し、NHK名古屋ドラマ「中学生群像」で女優デビュー。1974年に「あゆ朱美」の芸名でアイドル演歌歌手としてもデビューを果たす。その後、1977年に野沢那智主宰の劇団・薔薇座へ入団し、「スイート・チャリティ」「踊れ艦隊のレディたち」など数多くのミュージカルに出演。主演した「スイート・チャリティ」で芸術祭賞演劇部門賞。また外部出演したミュージカル「ミュージックマン」で葦原英了賞を受賞。舞台「渾・身・愛」では、第24回紀伊國屋演劇賞個人賞を受賞するなど輝かしい受賞歴がある。1979年にアニメ「機動戦士ガンダム」のマチルダ・アジャン役で本格的に声優としての活動をスタート。その後、「ゲゲゲの鬼太郎」「きかんしゃトーマス」「それいけ！アンパンマン」など人気アニメに声優として数多く出演。ジュリア・ロバーツ、ジョディ・フォスターなど洋画の吹替えも数多く手掛けている。特技は歌、ダンス、茶道、華道。

1977年オンシアター自由劇場に入団し、1996年の同劇団解散まで、中核的存在として活躍。解散後は映像にも活動の場を広げ、2004年映画「銀のエンゼル」で初の主役、2008年関西テレビドラマ「あしたの、喜多義男～世界一不運な男の、奇跡の11日間～」では統合失調症で分離した一人の人間の2役という難しい主役を務める。2011年舞台「国民の映画」で第19回読売演劇大賞最優秀男優賞を、2012年映画「アウトレイジ ビヨンド」第86回キネマ旬報ベスト・テン助演男優賞を受賞。そのほか、ドラマでは2001年・2014年フジテレビ「HERO」末次隆之役、2007年NHK大河ドラマ「風林火山」諏訪頼重役、2016年NHK大河ドラマ「真田丸」豊臣秀吉役、2017年テレビ東京「水曜ミステリー9『嫌われ監察官・音無一六』」主役ほか、数多くの作品に出演。映画では1998年「愛を乞うひと」、2001年「非・バランス」、2007年・2015年「HERO」、2017年「サバイバルファミリー」など。舞台では自由劇場作品ほか、三谷幸喜作品や数々の作品に起用。