小栗旬于小学六年级开始加入儿童剧团，当一名临时儿童演员。1996年，小栗旬参演首部电视剧《秀吉》，饰演石田三成的幼年时期。1998年7月，出演校园剧《麻辣教师GTO》。拍摄之后因演艺与修学两者不能兼顾，于明星学园高等学校中途退学，从此开始了真正的演艺生涯。
2000年4月，参演电视剧《池袋西口公园》。7月，参演的爱情剧《夏之雪》播出，在剧中饰演有听力障碍的高中学生筱田纯。2001年4月，参演爱情剧《爱在记忆深处》。
2002年2月，参演的由仲间由纪惠主演的校园剧《极道鲜师》在日本电视台播出，他在剧中饰演染着金发的问题学生内山春彦。2003年1月，出演由福山雅治主演的日本电视台NTV建台50周年纪念电视剧特别篇《给天国的大辅~箱根长跑的约定》。9月，与长泽雅美合作主演校园片《机器人竞赛》。
2005年1月，参演的NHK大河剧《义经》播出。2月，出演电视剧特别篇《古都》。7月，参演的富士台电视剧《电车男》播出。10月，与井上真央、松本润、松田翔太等演员合作，出演漫改校园剧《花样男子》，饰演英德学院F4成员之一的花泽类。同年，出演历史剧《大化改新》。在剧中饰演中大兄皇子。
2006年9月，参演的恐怖电影《遗失物》上映，他在片中饰演列车驾驶员久我俊一。10月，主演的漫画系列《名侦探柯南》第一部真人版改编剧《致工藤新一的挑战书离别前的序章》播出，他饰演高中生侦探工藤新一。
2007年6月，出演悬疑电影《如月疑云》。7月，与堀北真希搭档主演改编自日本漫画《偷偷爱着你》的校园剧《花样少年少女》，在剧中饰演樱学园2年级学生佐野泉，该剧以平均收视率17.33%成为当季收视冠军，最高收视率为21%。10月，主演由三池崇史执导的动作电影《热血高校》，该片取得了25亿日元的票房成绩。11月，连续2周担任纪录片节目《情热大陆》的解说员。12月，在《名侦探柯南》第二部真人剧《工藤新一的复活》中再次出演工藤新一。
2008年4月，在喜剧《贫乏男子》中饰演乐于助人的贫穷大学生小山一美。2009年1月，参演的改编自火坂雅志同名小说的NHK大河剧《天地人》播出，他饰演主角直江兼续的好友石田三成。4月，主演系列电影《热血高校2》，再次出演泷谷源治。10月，在与水岛宏合作拍摄的动作剧《东京DOGS》中饰演刑警高仓奏，该剧开播收视率即达到18.7%。
2010年7月，参演动作片《跳跃大搜查线3：开释罪犯》。同年，首次担任导演，执导校园片《五个暴走的少年》。10月，小栗旬时隔三年再次与井上真央合作，主演漫改剧《兽医杜立德》。
2011年5月，小栗旬与长泽雅美搭档主演由片山修执导的剧情片《岳：冰峰救援》，该片主要描述登山救助队故事，累计票房达到20亿日元。7月，参演的喜剧《荒川爆笑团》播出，他在其中扮演河童村长。
2012年2月，与役所广司搭档主演励志片《啄木鸟和雨》，该片入围了第24届东京国际电影节竞赛单元。7月，和石原里美搭档主演爱情剧《富贵男与贫穷女》，并凭借该剧获得第74回日剧学院赏最佳男主角赏。9月，参演由织田裕二主演的剧情片《跳跃大搜查线2012特别篇》。
2013年1月，参演的NHK大河剧《八重之樱》播出。7月，参演由满岛光主演的电视剧《woman》，饰演主角小春的亡夫青柳信。8月，参演的剧情片《少年H》上映。
2014年1月，小栗旬在改编自漫画的动画片《船长哈洛克》中为主人公哈洛克配音。3月，参与动漫《哆啦A梦》的第34部剧场版《新·大雄的大魔境～贝可与5人探险队～》配音，饰演“萨贝鲁队长”一角。4月，主演悬疑剧《Border》，并凭借该剧获得第81回日剧学院赏最佳男主角赏。5月，搭档天海佑希主演的剧情片《铃木商店的当家娘》上映。8月，主演的由北村龙平执导的犯罪片《鲁邦三世》上映。10月，主演的漫改穿越剧《信长协奏曲》在富士电视台播出，他饰演意外穿越至战国时代、因为长相相似而被拜托假扮织田信长的高中生三郎。
2015年1月，与生田斗真、上野树里搭档出演的悬疑剧《无间双龙》播出，他在其中饰演黑帮少当家段野龙哉。10月，参演医疗剧《产科医鸿鸟》。10月24日，参演的喜剧片《银河街道》上映。
2016年1月15日，参演的情感剧《东京伤情故事》播出。1月23日，主演的系列作品《信长协奏曲》电影版在日本上映。4月，参演的科幻片《火星异种》上映。11月12日，主演的漫改悬疑片《恶魔蛙男》上映，他在片中饰演刑警泽村久志。11月18日，主演的网络剧《代价》在Hulu播出，他饰演律师奥山圭辅。
2017年4月，与西岛秀俊搭档，主演刑侦剧《CRISIS 公安机动搜查队特搜组》，饰演直接听命于警察厅警备局长的秘密部队“公安机动搜查队特搜组”成员稻见朗。5月，与冈田准一搭档，出演的由降旗康男执导的悬疑片《追忆》上映，饰演被警方视为杀人案嫌疑人的田所启太。7月，主演由同名漫画改编的真人版电影《银魂》，饰演坂田银时。与此同时，还参演了改编自住野夜同名小说的剧情片《念念手纪》。8月，首次主演百老汇音乐剧，在《新科学怪人》中饰演“弗兰肯斯坦博士”一角。
2018年1月，在NHK大河剧《西乡殿》中饰演志士坂本龙马。4月，客串校园剧《花后晴天～花男Next Season～》，再次饰演花泽类。8月，主演的漫改电影《银魂2：规矩是为了被打破而存在的》上映。9月，参演的剧情片《响~成为小说家的方法~》上映，他在片中饰演小说家山本春平。10月，客串漫改喜剧《我是大哥大》。11月，参演的悬疑剧《远藤宪一与宫藤官九郎之受您指教了》播出。12月，在动画《妖怪手表》的五周年纪念剧场版《妖怪手表：永远的朋友》中为最强的大妖怪“紫炎”一角配音。
2019年3月，主演的特别剧《两个祖国》播出。4月，客串出演特摄剧《秘密X战士幻影甜心》，他在其中饰演演员大栗纯。7月5日，参演的由蜷川实花执导的悬疑片《杀手餐厅》上映。7月19日，为新海诚执导的动画电影《天气之子》配音。9月，主演的由蜷川实花执导的剧情片《人间失格：太宰治和3个女人》上映，他在片中饰演天才作家太宰治。
2020年9月3日，电影《三国志新解》宣布由小栗旬饰演曹操。12月，凭借主演的电影《罪之声》获得第45届日本报知电影奖最佳男主角奖。
2021年3月26日，主演的怪兽电影《哥斯拉大战金刚》于北美院线和中国大陆上映，同步上线流媒体HBO Max。6月，参演的由永井聪执导的电影《角色》上映。10月10日，主演的TBS灾难剧《日本沉没-希望之人-》播出，他在其中饰演日本环境省官员天海启示。
2022年1月9日，主演的NHK大河剧《镰仓殿的13人》开播，他在剧中饰演镰仓幕府的第二代掌权者北条义时，该剧也是小栗旬第一次在大河剧中担任主演。
