2000年左右，斎藤工曾在香港旅居数月从事模特工作，回到东京后，在一次聚会活动中被香港的朋友介绍给导演山川直人，遂敲定其为《时间的香气》男主演，开始演艺生涯。
2005年时，因为一次预定出演中国某电视剧的企划落空，忽然多出一大段空白期的斎藤工参加了网球王子舞台剧的试镜会，顺利得到忍足侑士一角。网球王子舞台剧的大获成功让他在一段时间内人气急升。
2010年起，因为三池崇史导演的深夜剧《黑豹如龙新章》和首次主演常规剧《最上の命医》的成功，开始邀约不断，甚至一度创下了连投7、8季的记录。电影方面也与三池崇史、村上隆、宅间孝行等著名导演有所合作，《爱与诚》在戛纳电影节的夜间单元获得了来自世界的好评。
2013年因热门电视剧《飞行员小姐》中的教官一角而人气高涨，更拿下TVnari读者票选年度助演男优赏；1月8日，出演由饭岛直子和上户彩共同主演的电视剧《阳光照耀的未来》播出。
2014年因热门电视剧《昼颜~工作日下午3点的恋人们》拿到「オリ★スタ」1000名读者票选的2013夏季剧最佳男主演。年末凭借『昼颜～平日午後3时の恋人たち～』在第82回日剧学院赏中获得助演男优赏第二名（其中记者票第一名、读者票第四名、审查员票第二名）。
2015年热门人物纪录片节目《情热大陆》的播出成为其人气证明。并凭电影《虎影》受邀赴西班牙，参加世界三大奇幻电影节之一的西班牙锡切斯奇幻电影节。
2016年初，出演人气推理小说及漫画《火村英生系列》改编的电视剧《临床犯罪学者 火村英生的推理》。主演9月在NHK播放的新剧《命运般的恋爱》。参演电影版《昼颜》。
2017年，凭借其执导的作品《空白的13年》获得第20届上海国际电影节，亚洲新人奖最佳导演奖。
2018年1月，出演由木村拓哉主演的电视剧《BG 身边警护人》 。4月与二阶堂富美主演朝日台电视剧《侦探物语》。参与执导HBO Asia《Folklore》第二集日本篇TATAMI。
2019年4月与高桥一生、泷藤贤一出演电视剧《东京独身男子》，5月出演冈田准一版《白色巨塔》。主演电影《麻雀放浪记2020》4月5日上映，《MANRIKI》11月29日上映；主演Hulu特别剧《临床犯罪学者 火村英生的推理2019》9月上线。同年出演电影《魔法少年 Wild Virgin》。
2020年2月7日，参演电影《宅男腐女恋爱真难》上映。2月21日，总导演·制作·参演短篇电影合集《COMPLY+-ANCE》预定上映。5月1日，出演的的特摄片《剧场版 秘密×战士 幻影甜心！》上映。6月18日，主演的日剧《BG 2 ～身边警护人～》首播。
2021年5月，参演电影《再见残酷的世界》将于2022年秋季在日本上映。
2021年11月12日，出演的电影《爱之目光》上映；参演电视剧《大豆田永久子与三位前夫》。
2022年5月13日，主演特摄剧集《奥特曼》开播55周年的纪念电影《新·奥特曼》上映。主演的漫改剧《桧山健太郎的怀孕》将在Netflix全球独播，该剧是Netflix与东京电视台共同策划、制作的Netflix原创系列电视剧。
