小学校1年の時から野球を始める。
1999年度ドラフト会議にて大阪近鉄バファローズより、5位指名を受け入団。2年目シーズン途中から頭角を現す。
3年目の2002年より先発ローテーションの一角として23試合に登板。2003年にはチーム最多となる15勝を挙げ、チームのエースに定着。翌2004年には初の開幕投手を務め、最終的に15勝し、アテネ五輪野球日本代表に選出。
球団再編問題もあり、自身は新規参入球団の楽天へ移籍が決まる。
2005年より、楽天のエースとしてチームを牽引。
2008年には21勝を記録。沢村賞などの投手関連の主要タイトルを独占。
2009年には第1回WBC日本代表に選出され、先発3本柱としてチームの優勝に貢献。
2011年オフ、海外FA権を行使してのメジャー移籍を表明。
2012年シアトルマリナーズと契約を交わし、シーズン途中より先発を任され、8勝を記録。2013年先発ローテーション入りし、2桁勝利、200イニングに到達した。
2013年オールスターに初選出。最多の14勝を挙げ、サイ・ヤング賞投票にて、3位。
2014年自己最多の15勝を挙げる。
2015年には日本人2人目のノーヒットノーランを達成。2016年MLB自己最多の16勝。
2017年、2018年とマリナーズでプレー。
2019年より、読売ジャイアンツでプレー。2020年10月19日に現役引退を表明。
2021年より、古巣のマリナーズ特任コーチに就任。
2022年は日本で生活しながら、マリナーズとのアドバイザリーコーチ契約を締結。
引退後はコーチ業の他、MLBやプロ野球の解説を務めている。また自身のチーム青山東京ボーイズ（中学生野球チーム）で指導にもあたっている。
現在21歳、16歳、14歳、0歳（女児3人、男児1人の父）