2006年，因在Tokyo Graffit杂志上的美少年评比得了第4名，被经纪人相中而出道。2008年1月8日，与成海璃子、生田斗真、成宫宽贵合作出演的爱情剧《蜂蜜与四叶草》播出，向井理在剧中饰演竹本祐太的前辈真山巧。
2009年4月14日，由堀北真希主演的喜剧《家有六子》首播，向井理在剧中饰演大藏家的三男大藏翔，职业牛郎；10月2日，主演的同名漫改法庭剧《旁听控09》播出。
2010年2月，与松下奈绪合作出演的家庭剧《鬼太郎之妻》播出，向井理在剧中饰演名不见经传的漫画家村井茂，并获得日本第19届桥田奖最佳新人奖和第35届ELAN D'OR的年度新人奖；7月7日，由他主演的爱情喜剧《萤之光2》首播，在剧中饰演设计师濑乃和马；8月7日，与新垣结衣、生田斗真等演员合作出演的爱情片《花水木》上映；同年，出演以靖国神社为拍摄地的剧情片《归国》；9月4日，在青春励志片《摇滚新乐团》中饰演不羁贝斯手平义行，并获得第32届横滨电影节最佳新人奖。
2011年1月9日，由上野树里主演的大河剧《江·公主们的战国》首播，向井理在剧中饰演德川家康三子，江之第三任丈夫德川秀忠；6月4日，与北川景子合作主演的爱情片《天堂之吻》上映，他在片中饰演性格孤僻，喜欢设计不切实际的华丽服饰的设计师小泉让二；9月23日，主演在柬埔寨拍摄的剧情片《我们无法改变世界，但我们想在柬埔寨建一所学校》，他在片中饰演大学生田中甲太。
2012年1月10日，由他主演的料理励志剧《Hungry!》首播，在剧中饰演摇滚乐团的贝斯手山手英介，兼有烹饪与音乐的天赋；10月6日，与中山美穗合作主演的爱情片《得买新鞋了》上映，其在片中饰演青年摄影师八神千。2013年2月2日，与宫崎葵合作主演的剧情片《黄色大象》上映，其在片中饰演失意小说家武辜步。2014年1月12日，由他主演的犯罪剧《S最后的警官》首播，在片中饰演前拳击选手神御藏一号；10月13日，与小栗旬、柴咲幸等演员合作出演的历史穿越剧《信长协奏曲》播出，向井理在剧中饰演织田信长的笔头家老池田恒兴；10月25日，搭档片桐入共演的家庭喜剧片《小野寺姐弟》上映，向井理在片中饰演调香师小野寺进。
2015年2月11日，由其主演的战争剧《永远的零》播出，在剧中饰演对生存充满执念，但却在太平洋战争结束前夕殒命的神风特工队员宫部久藏；10月22日，由其主演的家庭剧《遗产争族》首播，在剧中饰演丧葬公司的社长的上门女婿。
2016年4月4日，参演的晨间剧《当家姐姐》首播，在剧中饰演女主角的叔叔；3月31日，与北川景子合作出的悬疑剧《黑色树海》播出，向井理在剧中饰演新闻社文化部的记者吉井亮一；7月8日，主演的悬疑推理剧《拥有神之舌的男人》播出，在剧中饰演拥有如精密仪器一般的舌头，可以用来分析案件查明真相的演朝永兰丸。
2017年6月24日，与尾野真千子合作出演的剧情片《何日君再来》上映，向井理在片中饰演女主角常子的叔父彻郎；7月9日，与斋藤工合作共演的职业剧《彬与瑛》播出，向井理在剧中饰演大企业的第二代，工业中央银行的新职员阶堂彬；随后，参演的由堤幸彦执导的特别剧《我们的勇气~未满都市2017》播出。
2018年，参演TBS一月播出的日剧《きみが心に栖みついた》。主演NHK综合台电视剧《热爱太阳的人～1964 那天的残奥会～》饰演主人公中村裕。主演WOWOW日剧《潘多拉IV AI战争》饰演主人公铃木哲郎。朝日台十月新剧《LEGAL V~前律师·小鸟游翔子~》。
2019年4月16日，出演的电视剧《我要准时下班》播出，剧中饰演种田晃太郎；11月，向井理接拍2020年1月开播的富士台日剧《10的秘密》，在剧中饰演主人公白河圭太。
2020年1月19日，参演的大河剧《麒麟来了》播出。
2021年4月，参演的电视剧《华丽一族》开播。参演电视剧《盛装打扮的恋爱也有理由》。
2022年3月12日，其参演的电影《Wedding High》上映。4月13日，参演电视剧《恶女～谁说工作不酷的？～》播出。
