2002年、北野武監督の『Dolls』で主演に抜擢される。この映画への出演は西島のキャリアにとって大きな転機となった[17]。

2005年の映画『帰郷』では、昔の恋人に子どもの父親だとして子どもを預けられて困惑するサラリーマンを演じ[18]、第15回日本映画プロフェッショナル大賞・主演男優賞[19]、第20回高崎映画祭・最優秀主演男優賞[20]を受賞。

2006年、宮崎あおい主演の連続テレビ小説『純情きらり』で太宰治をモデルとした津軽弁の画家杉冬吾役をコミカルに演じ、お茶の間からの人気を得る。

2008年、小林薫主演の映画『休暇』では癖のある死刑囚を演じ[21]、第30回ヨコハマ映画祭・助演男優賞を受賞する[22]。

2011年、ラブコメディドラマ『僕とスターの99日』（フジテレビ）で韓国の女優キム・テヒとともにW主演。西島は本作品で民放連続ドラマ初主演を果たす[23]。

2011年の映画『CUT』はイランの名匠アミール・ナデリ監督の作品で[24]、第68回ヴェネチア国際映画祭のオリゾンティ・コンペティション部門オープニング作品・第36回トロント国際映画祭出品作品・第16回釜山国際映画祭出品作品である[25]。これにより自身も数々の映画賞を受賞する。

2014年にはオリコン発表の「2014年ブレイク俳優ランキング」で第2位にランクインした[26]。

2017年、ファッションデザイナーのジョルジオ・アルマーニからの指名により、ジョルジオ・アルマーニの最高峰ライン「メイド・トゥ・メジャー」の広告モデルに日本人で初めて起用される。2018年も引き続き広告モデルを務めており、4シーズン連続起用もまた日本人初である[27]。『ドライブ・マイ・カー』監督の濱口竜介と（2022年4月）

2021年には主演を務めた濱口竜介監督『ドライブ・マイ・カー』が、第94回アカデミー賞で日本映画として史上初となる作品賞を含む4部門にノミネートされた[28]。西島も授賞式に出席し、本作品は国際長編映画賞を受賞した[29]。また、西島の演技は米ニューヨーク・タイムズ紙がその年の映画を代表する俳優を選ぶ企画「Great Performers／The Best Actors of 2021」の1人としてアジア人で唯一選出するなど高い評価を受けた[30]。同紙は選出理由として「西島の演技は鋭い批判的な知性を合わせ持っており、そのメランコリックで控えめな存在感が映画の重要なカギとなっている」と述べている[30]。日本映画への出演で選出されたのは西島が初となる。

2023年春、ハリウッドの大手タレントエージェンシーCAAと契約[31]。

2024年5月いっぱいで、クォータートーンを退所することを発表した[32][33]。
人物

桐朋高校在学中はバスケットボール部に所属[34]。また、ロックバンドを結成しギターを担当していた[35]。

大学時代はアルバイトで中学生たちの家庭教師をしていた[36]。

学歴は桐朋高等学校卒業、横浜国立大学工学部生産工学科中退[6]。2022年9月2日放送のTBS『A-Studio+』にゲスト出演した西島は、役者の道を選び大学を中退した理由について「大学で工学部に入ったけど、なんか違うかなと思った。俳優の仕事が入ってきたので工学部は授業が長いので両立できなくなった」と述べた[37]。親に「俳優になる」と報告すると「家から出ていきなさい。一切援助はしないので一人で生きていきなさい」と言われ、実際に一切の援助はなかったが、西島は「今は感謝してますけどね。