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7月，小栗旬参演爱情剧《夏之雪》，饰演一名有听力障碍的高中学生。2001年4月，参演爱情剧《爱在记忆深处》。
2002年2月，参演改编自同名漫画的校园剧《极道鲜师》，饰演“内山春彦”一角。2003年9月，与长泽雅美合作主演校园片《机器人竞赛》。
2005年10月，小栗旬与井上真央、松本润、松田翔太等演员主演校园剧《花样男子》，饰演F4成员之一的“花泽类”一角 。2006年10月，主演《名侦探柯南》第一部真人版电视剧《致工藤新一的挑战书离别前的序章》，饰演“工藤新一”一角 。
2007年7月，小栗旬与堀北真希主演校园剧《花样少年少女》，饰演“佐野泉”一角 。该剧改编自日本漫画《偷偷爱着你》，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校园片《热血高校》，该片取得25亿日元票房的成绩 。11月连续2周担任纪录片节目《情热大陆》的解说广播员。12月在《名侦探柯南》第二部真人版电视剧《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》中饰演一名贫穷大学生。2009年1月，参演改编自火坂雅志同名小说的大河剧《天地人》，饰演主角“直江兼续”的好友“石田三成” 。4月主演校园片《热血高校2》，再次出演“泷谷源治”一角 。10月在与水岛宏合作拍摄的动作剧《东京DOGS》中饰演一名刑警，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》，该片累计票房73亿日元 。同年执导首部校园片《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，主演改编自同名漫画的爱情剧《兽医杜立德》 。
2011年5月，小栗旬与长泽正美主演由片山修执导的剧情片《岳》，该片主要描述登山救助队故事，累计票房达到20亿日元 。7月参演喜剧《荒川爆笑团》，在其中扮演河童村长一角 。
2012年2月，与役所广司主演励志片《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》，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7月，参演剧情剧《woman》，饰演“青柳信”一角。8月参演剧情片《少年H》 。
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》，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剧情片《铃木商店的当家娘》 。8月主演由北村龙平执导的犯罪片《鲁邦三世》，该片自上映起10天内票房便突破11亿日元 。10月主演历史剧《信长协奏曲》，饰演一名意外穿越至战国时代的高中生 。
2015年1月，与生田斗真、上野树里搭档，主演悬疑剧《无间双龙》，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》 。同时参演喜剧片《银河街道》 。
2016年1月，参演情感剧《东京伤情故事》，饰演一名荞麦面屋的店主 。同时主演电影版《信长协奏曲》，饰演“织田信长”一角 。4月参演科幻片《火星异种》，饰演“本多晃”一角 。11月主演由漫画改编的悬疑片《恶魔蛙男》，饰演一名刑警 。同时主演网络剧《代价》，饰演一名律师 。
2017年4月，小栗旬将搭档西岛秀俊主演警匪剧《CRISIS公安机动搜查队特搜班》，饰演一名搜查队的刑警 。5月与冈田准一主演由降旗康男执导的悬疑片《追忆》，饰演被警方视为杀人案嫌疑人的田所启太 。7月主演由漫画改编的真人版电影《银魂》，饰演“坂田银时”一角。同时参演改编自住野夜同名小说的剧情片《我想吃掉你的胰脏》 。8月首次主演百老汇音乐剧《新科学怪人》，饰演“弗兰肯斯坦博士”一角 。
2018年4月，客串校园剧《花后晴天～花男Next Season～》，再次饰演“花泽类”一角 。8月主演漫改电影《银魂 PART2》 。9月参演剧情片《响-HIBIKI-》，饰演一名小说家 。11月参演悬疑剧《远藤宪一与宫藤官九郎之受您指教了》 。12月参与动漫《妖怪手表》的五周年纪念剧场版《妖怪手表：永远的朋友 》配音，饰演最强的大妖怪“紫炎”一角 。同年确定加盟剧情片《哥斯拉大战金刚》，为首次出演的好莱坞电影 。
2019年3月，主演特别剧《两个祖国》 。4月客串出演特摄剧《秘密X战士幻影甜心》，饰演知名演员“大栗纯”一角 。7月参演由蜷川实花执导的悬疑片《杀手餐厅》 。同时为新海诚执导的动画电影《天气之子》配音，饰演“须贺圭介”一角 。9月主演由蜷川实花执导的剧情片《人间失格：太宰治和3个女人》，饰演“太宰治”一角 。
2020年1月8日，NHK举行记者会，宣布小栗旬担任2022年大河剧《镰仓殿的13人》的主演 ，在剧中饰演镰仓幕府的第二代掌权者“北条义时”一角，该剧也是小栗旬第一次在大河剧中担任主演 。9月3日，电影《三国志新解》宣布由小栗旬饰演曹操 。12月，凭借影片《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，主演的TBS电视剧《日本沉没-希望之人-》播出，他在其中饰演环境省官员天海启示 。