La sua carriera nel mondo dello spettacolo inizia facendo l'attore, all'età di nove anni, in una commedia-horror giapponese del 2001: Stacy. Nel corso dell'adolescenza, i suoi interessi sono spaziati dal cinema alla fotografia, dai giochi di prestigio a hobbi come ping-pong.

Prendendo parte a diverse produzioni minori, con piccoli ruoli, soprattutto in film per la TV giapponese, arriva anche a dirigere, nel 2003, il suo primo corto dal titolo Shimira batto difarento (Similar but Different). Raggiunto il successo a livello mondiale con il lungometraggio Himizu, film di Sion Sono presentato al 68° Festival internazionale del cinema di Venezia nel 2011 e con il quale ha vinto il Premio Marcello Mastroianni per Miglior Attore Emergente.
Oltre a recitare in film per la TV e in lungometraggi cinematografici, si è cimentato anche con il genere del radiodramma per alcune emittenti radiofoniche giapponesi. Tra le fortunate partecipazioni cinematografiche, possiamo ricordare l'apparizione nel film Sadako 3D, di Hanabusa Tsutomu. Anche lui, come Aoi Miyazaki, presterà la voce per cartoni animati di Mamoru Hosoda: Wolf Children (2012) e The Boy and The Beast (2015, nelle sale italiane nel 2016). Tra le due date delle partecipazioni nel mondo dell'animazione ha avuto modo di comparire nel cast di produzioni che hanno fatto il giro del mondo come Il canone del male (2012) di Takashi Miike. Nel 2013 ha inoltre lavorato con Takashi Yamazaki per la realizzazione del film The Eternal Zero incrementando notorietà, anche prendendo parte a film popolari in Giappone come Parasyte, uscito nella sua Part 1 (2014) e Part 2 (2015), sempre con Yamazaki. Ulteriore dinamicità sulla scala mobile della popolarità gliela ha data anche il film del 2015 di Hitoshi Ohne: Bakuman, vincitore del premio dedicato alla popolarità degli Awards of Japanese Academy 2016.