20歳の時にカリフォルニア州立大学フレズノ校へ留学[3]。当初演出コースを専攻する予定だったが、願書が英語で記載されていたため、誤読による記入ミスによって演劇学を専攻[3]。その後休学[3]。
デビュー

1999年に舞台『DREAM OF PASSION』で俳優デビュー。
2000年代

2000年より、『仮面ライダークウガ』の主人公・五代雄介（ごだい ゆうすけ）役でテレビドラマ初主演を務めた。幼少期より特撮番組とは馴染みが薄く、「リアルな芝居がやりたくて俳優になったから、特撮はやりたくない」と発言していたが、彼自身の個性を��寺成紀に認められ、高寺の説得に応じ、抜擢された[12]。

2003年公開の映画『アカルイミライ』は初主演を果たし、カンヌ国際映画祭に正式出品された。この作品は、日本映画プロフェッショナル大賞で作品賞を受賞し、自身も主演男優賞を受賞。

2004年公開の映画『血と骨』ではビートたけし演じる金俊平の息子、朴武を演じた。この映画における出演の時間は極めて短かったが、ビートたけしとの過激な喧嘩シーンを中心に演じ、同年度の国内の映画賞の助演男優賞を多数獲得した。

2005年公開の映画『オペレッタ狸御殿』ではチャン・ツィイーと共演。『メゾン・ド・ヒミコ』ではゲイの青年を演じ、前年度に続き主演での男優賞を複数獲得した。

2007年には自らの脚本・監督による『さくらな人たち』を撮影。第38回ロッテルダム国際映画祭に出品された（2009年にDVDが発売）同年12月27日、女優の香椎由宇との結婚を発表し2人で結婚会見を行った。映画『パビリオン山椒魚』での共演が交際のきっかけとなった[13]。翌2008年、2人の誕生日である2月16日に婚姻届を提出した[14]。
2010年代

2010年9月5日に第1子の妊娠が報道され、2011年2月に長男が誕生[15]。

2014年4月、次男が誕生。しかし、次男は1歳の誕生日を迎えた直後の2015年4月20日に絞扼性イレウスによって死去[16][17]。

2015年、洋画家の藤田嗣治を演じた主演作品『FOUJITA』が、第28回東京国際映画祭コンペティション部門に出品される[18]。

2016年8月三男が誕生[19]。

2018年、主演映画『エルネスト』のために約半年間かけスペイン語とボリビアの方言を習得し、日系ボリビア人の革命家フレディ前村ウルタードを演じた[20]。

2019年、自身のオリジナル脚本による初の長編映画監督作品[21]『ある船頭の話』が第76回ベネチア国際映画祭のベニス・デイズ部門に選出[22]。同映画祭では出演作品『サタデー・フィクション』がコンペティション部門に選出された[23]。『ある船頭の話』は第56回アンタルヤ映画祭（トルコ）の国際コンペティション部門で最優秀作品賞を受賞した[24]。第34回高崎映画祭でホリゾント賞を受賞した[25]。
2020年代

2021年1月30日、「津山国際環境映画祭」でオダギリが監督を務めた『ある船頭の話』が上映された。上映後には、小学校の同級生河本準一とリモートでトークショーを行った[9]。地元津山市で仕事をするのは今回が初めてである[26]。

9月、NHKドラマ『オリバーな犬、 (Gosh!!) このヤロウ』では連続ドラマの脚本・演出・出演・編集を担当（翌2022年にはシリーズ2が放送）[27]。11月、連続テレビ小説『カムカムエヴリバディ』で、朝ドラに初出演[28]。

2022年、東京ドラマアウォードにて、自身が手掛けたドラマ『オリバーな犬、 (Gosh!!) このヤロウ』が高く評価され、単発ドラマ部門作品賞のグランプリを受賞し、さらに『カムカムエヴリバディ』での演技が評価され、助演男優賞を受賞した[29]。
人物
趣味・特技

子供のころからずっとサッカー少年だったこともありサッカーが上手。映画『プラスティック・シティ』の共演者アンソニー・ウォンからは「ジョーは俳優にならなくてもサッカー選手になれば、スターになれる」と、その腕前を絶賛された[30]。

嗜好

尊敬するミュージシャンは、フランク・ザッパとトム・ウェイツ[31]。トム・ウェイツのアルバム『オーファンズ』（2006年）の日本盤CDでコメントを書き下ろし、トムを「音楽の神」と讃えている。

雑誌のインタビューや自身の著書『オダギリズム』によると好きな映画監督はジム・ジャームッシュやフェデリコ・フェリーニ、コーエン兄弟、黒澤明、勝新太郎、北野武、ヴィンセント・ギャロなどで、特にジャームッシュの『ダウン・バイ・ロー』をベスト1にあげることが多い。

交友関係

小学校ではお笑いコンビ次長課長の河本準一と同級生[9][32]。