中学3年生の頃、ドラマ『若者のすべて』（フジテレビ）に影響を受けて、芸能界入りを志しオーディションを受けるも、この時は叶わなかった[注 3]が、名古屋市立富田高等学校2年生（16歳）の時に名古屋のサカエチカで、現在の所属事務所アオイコーポレーションの社長である葵てるよしにスカウトされた[13][15]。

高校を卒業とともに上京し[注 4]、1998年、ドラマ『せつない』（テレビ朝日）で俳優デビューした。

1998年の上京当時から、目黒区碑文谷のゴルフ場内にあるレストラン[注 5]や、コンビニエンスストアの店員、日払いの引っ越し業のアルバイトを、2003年の連続テレビ小説出演をきっかけに辞めるまで[19]、主にオーディションで役を得る生活だった[13]。

2001年公開の映画『ウォーターボーイズ』の佐藤勝正役で注目を浴び[注 6]、2003年の連続テレビ小説『こころ』でヒロインが恋心を抱く花火職人を演じ広く認知される。

2004年の月9ドラマ『愛し君へ』（フジテレビ）や、ポカリスエット「バリカンと海」のCM、「ナツイチ」のイメージキャラクター[22]などで知名度が大きく高まった。

2004年3月放送のWOWOWのドラマW『恋愛小説』[注 7]でテレビドラマ初主演。同年11月公開の『雨鱒の川』で映画初主演[23]。

2006年1月、NHK 土曜ドラマ『氷壁』[注 8]で連続ドラマ初主演。このドラマの第2回「生死を賭けた挑戦」が2006年11月7日、ABU賞テレビ・ドラマ番組部門を受賞した。またこの年は、NHK大河ドラマへの初出演や、10月に映画『ただ、君を愛してる』の主演、フジテレビ月9ドラマ『のだめカンタービレ』（フジテレビ）の千秋真一役を演じて[注 9]飛躍の年となった。2007年2月、エランドール賞新人賞を受賞。

2010年4月23日からbayfmで、初のレギュラーラジオ番組『Naked』の開始や[26]、同年12月5日には初ナビゲーター番組『ダ・ヴィンチの指紋』（BS朝日）が放送された[27]。

2012年9月26日に中国で公開されたチョウ・ユンファ主演の中国映画『曹操暗殺 三国志外伝』（2014年3月22日日本公開）に出演。外国語映画にはこれが初出演となる[28][29]。

2012年10月26日から放送の『アイアンシェフ』（フジテレビ）[注 10] で前任の鹿賀丈史に代わり新たに主宰に抜擢された[注 11]。玉木曰く「30歳を超えて新しいチャレンジをしたいという思いが日々あった」との事である[30]。

2013年3月7日、『ホテル マジェスティック?戦場カメラマン澤田教一 その人生と愛?』で初舞台で初主演[14]。

時代劇には2002年の『SABU ?さぶ?』[注 12]が初めての出演になる。NHK大河ドラマには2006年に『功名が辻』の主人公の弟 山内康豊 役で初出演し、2007年にテレビドラマ『敵は本能寺にあり』で織田信長、2008年には2度目の大河ドラマ『篤姫』で坂本龍馬を演じた。