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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。

2005年フジテレビドラマ「恋に落ちたら～僕の成功の秘密」や、'10年NHK連続テレビ小説「ゲゲゲの女房」などでヒロインを演じた。'12年フジテレビドラマ「早海さんと呼ばれる日」や、'16年フジテレビドラマ「早子先生、結婚するって本当ですか？」で主演を務める。3歳から始めたというクラシックピアノを特技とし、'07年にはシングル「Moonshine～月あかり」を、'15年にはアルバム「MusicBox」をリリースするなど音楽活動も精力的にこなす。

CULEN(カレン)所属。草彅剛、香取慎吾と共同の公式ファンサイト「新しい地図」が2017年9月22日に開設され、10月16日に本格始動。11月2日～5日にAbema TVの生放送番組「稲垣・草彅・香取 3人でインターネットはじめます『72時間ホンネテレビ』」に出演し、同番組の放送中にブログをスタートさせた。また、72時間ホンネテレビメインテーマソング「72」を12月24日にデジタル配信リリース。2017年11月には草彅、香取と共に日本財団パラリンピックサポートセンターのスペシャルサポーターに就任し、2017年の「GQ MEN OF THE YEAR 2017」のインスピレーション賞を受賞。TBS「ゴロウ・デラックス」や文化放送「編集長 稲垣吾郎」などに出演しており、出演映画「クソ野郎と美しき世界」が2018年に公開、主演映画「半世界」「ばるぼら」が2020年公開。

アブノーマルな悪役に名演が多く怪優として有名な俳優。また、ベテランの刑事、厳格な父や温厚な祖父、コミカルな役を演じる事も多く、業界を代表する名脇役として活躍する。

劇団柿喰う客の中心メンバーとして活躍。「朝日のような夕日をつれて2014」「赤鬼」「SEMINAR-セミナー-」「真田十勇士」「飛龍伝」など多数の客演を務める。NHK「花子とアン」WOWOW「ヒトリシズカ」などにも出演し、活動の幅を広げている。演劇ユニットカスガイの主宰として活動もしている。類人猿の如き身体能力、地獄のそこから発せられるように響く声が、観る者に衝撃を与える。