1973年（昭和48年）、東京都板橋区に生まれ、高島平で育つ[6]。子供のころは大のヤクルトスワローズファンで、13歳で芸能界入りするまではファンクラブに入り頻繁に神宮球場に足を運んでいた[7]。
1987年（昭和62年）11月、姉が応募したジャニーズ事務所のオーディションを受け芸能界入り[5]。すぐにSMAPの前身グループであるスケートボーイズのメンバーとなる。
1988年（昭和63年）4月、同グループから中居正広、木村拓哉、森且行、草彅剛、香取慎吾とともに選ばれ、男性アイドルグループ『SMAP』を結成（以降のグループでの活動はSMAPを参照）。
1989年（平成元年）、NHKの連続テレビ小説『青春家族』で、主人公の弟・阿川大地役に選ばれドラマデビュー。翌1990年、『さらば愛しのやくざ』で映画デビューも果たす。1991年、堀越高等学校卒業[8]。
1992年（平成4年）10月に月9ドラマ『二十歳の約束』にてドラマ初主演[9]。
1993年（平成5年）、『プライベート・レッスン』で映画初主演。映画主題歌も担当し、初のソロシングルCD「If You Give Your Heart」リリース。1996年、舞台『夜曲』で舞台初主演。翌1997年も舞台『広島に原爆を落とす日』出演し、主役のディープ山崎を演じる。翌年の再演では広島公演も行われた。
21歳で初めて自動車（マセラティ）を購入した。
1998年（平成10年）、ドラマ『ソムリエ』で主演を務める。天才ソムリエの役を演じるにあたり、フランスまで足を運びソムリエの修行を積み、その後もワインに関する知識を高めボルドーワインの産地からワイン騎士号を授与される[10]。
2004年（平成16年）、ドラマ『僕と彼女と彼女の生きる道』の主題歌「Wonderful Life」を&G（アンジー）名義でソロシングルCDリリースし、オリコン初登場1位。同年、「稲垣吾郎の金田一耕助シリーズ」がスペシャルドラマとしてスタートし、2009年まで5作品にわたり金田一耕助を演じシリーズ化された。同年から現在（2020年）に至るまでの毎年、『ほんとにあった怖い話』のストーリーテラー役を務めている。
2006年（平成18年）、アニメ映画『ONE PIECE THE MOVIE カラクリ城のメカ巨兵』に声優で出演。同年、日本で開催されたFINAシンクロワールドカップの公式サポーターとしてマーメイドプリンスを務める。これは自身初の単独公式サポーターである。2007年（平成19年）も世界競泳2007の公式サポーターとしてマーメイドプリンスを務める。
2010年（平成22年）、『十三人の刺客』では、史上最凶の暴君として松平斉韶役を演じ毎日映画コンクール男優助演賞を受賞するなど高い評価を得る[11]。初めての極悪非道な役は役者としても新境地となった[12]。
2016年（平成28年）12月31日、SMAP解散。ソロタレントとなる[13]。詳細は「SMAP解散騒動」を参照
2017年（平成29年）9月8日、ジャニーズ事務所公式サイトである「Johnny's net」と「Johnny's web」の稲垣のページが閉鎖され[14]、9月9日に草彅剛、香取慎吾とともにジャニーズ事務所を退所[15]。
10月16日、草彅、香取と共同で新事務所「CULEN（カレン）」（代表はSMAP元マネージャーの飯島三智）を立ち上げ独立する[16]。11月には公式ブログを開設。わずか2か月半で50万人以上の読者を獲得し、『BLOG of the year 2017』最優秀賞を受賞[17]。また、翌年の『BLOG of the year 2018』でも優秀賞（オフィシャル部門）に選出されている[18]。
2018年（平成30年）、主演映画『半世界』（2019年公開）が第31回東京国際映画祭のコンペティション部門に選出され、作品は観客賞を受賞[19]。