神木隆之介出生時患有救治率為1%的感染癥，連續兩個月處于病危狀態，最終在家人的關愛下存活并痊愈。1995年，在神木隆之介2歲的時候，母親為了留下他的“生存證明”，也為了今后的健康成長，讓其加入了central group的日本兒童talent ?。神木隆之介因童年時期樣貌漂亮可愛，使其成為漫畫家、動畫制作者創作人物形象時靈感的源泉，日本暢銷漫畫《投捕手》的畫作者柚庭千景在該系列作品的第六卷后記中表示青波的形象設計靈感源自演員神木隆之介，吉卜力工作室作品中的《買下星星的日子》的主人公諾那、《借東西的小人阿莉埃蒂》中的少年翔的形象也都是以他為原型創作的。神木隆之介在高中擔任學生委員，同時負責學校的文化祭和體育祭 ?。

　　1995年，拍攝了第一支廣告，踏入演藝界。1999年，出演電視劇《Good News》，正式作為演員出道 ?。

　　1999-2001年期間出演了《拭去淚水》、《女婿大人》等十幾部電視劇，被稱為天才子役 ?。

　　2001年，天真可愛又富有表現力的聲音被宮崎駿發掘，首次為吉卜力工作室動畫電影《千與千尋》中的坊寶寶擔任配音 ?。

　　2004年，在電影《父親的背摔絕技》中出演一位和職業摔跤手的父親保持距離與隔閡的兒子 ?，獲得第十四屆日本電影批評家大獎新人獎 ?。同年，參與吉卜力工作室動畫《哈爾的移動城堡》，為角色馬魯克配音 ?。

　　2005年，從日本中央兒童劇團畢業，移籍AMUSE ?。在大河劇《義經》中出演義經童年 ?。同年，出演個人首部主演電影《妖怪大戰爭》 ?，獲得日本電影學院獎新人演員賞 ?。

　　2006年7月1日放送的《偵探學園Q》是他首部主演的電視劇SP，2007年該劇連續劇化 ?。

　　2007年，主演的電影《消失在遠空中》 ?、《Little DJ：兩小無猜》上映 ?。

　　2008年，在富士電視臺建臺50周年的臺慶劇《風之花園》中出演一位精神障礙者 ?，通過一個多月的鋼琴練習，一次性通過了整曲《少女的祈禱》的拍攝。

　　2009年，為細田守導演的動畫電影《夏日大作戰》中的主角小磯健二配音，被導演稱為連頭發翹起的形狀都與漫畫主人公酷似的配音演員 ?。

　　2010年，在NHK特別篇電視劇《心之線》中與松雪泰子出演母子，接受了手語和鋼琴的特訓 ?。同年出演電視劇《SPEC》，扮演一十一 ?。同年，為吉卜力工作室動畫《借東西的小人阿莉埃蒂》配音。

　　2011年，因出演《心之線》獲第51回蒙特卡洛國際電視節電視電影男演員賞提名。同年10月主演電視劇《還有第11人》 ?。

　　2012年4月7日，出演的電影《SPEC：天》上映 ?。同年夏天主演的電影《聽說桐島要退部》上映，該影片獲得第34屆橫濱電影節最佳影片獎、第36屆日本電影學院獎最佳影片等多項大獎，成為了他的代表作品 ?。

　　2012年，再次在NHK的大河劇《平清盛》中出演源義經 ?，在不同大河劇中出演同一歷史人物的少年期（2005年《義經》）和成年期（2012年《平清盛》），是繼于1996年《秀吉》和2009年《天地人》中出演石田三成的小栗旬之后的第二人 ?。

　　2013年，出演電視劇《家族游戲》，獲第77回日劇學院賞最佳男助演賞 ?。

　　2014年，在系列電影《浪客劍心》中出演冷酷殺手“天劍”瀨田宗次郎 ?，同年出演動畫真人化電影《誠如神之所說》 ?。

　　2015年1月，出演電視劇《學校的階梯》 ?。1月12日，擔任NHK紀錄片《Next world 我們的未來》的主持人。10月3日，與佐藤健雙主演的電影《食夢者》在日本上映 ?。

　　2016年2月，與長瀨智也共演的由宮藤官九郎執導的電影《Too Young to Die 年輕就死去》上映 ?。同年，與門脅麥雙主演的電影《太陽》上映 ?。夏天，為動畫導演新海誠的動畫電影作品《你的名字》配音 ?。