서울예전 방송연예과 졸업 후 연극 무대에서 활동하다가 1998년 한국나이 25세에 장진 감독의 첫 작품인 <기막힌 사내들>에서 주연으로 데뷔하면서 눈도장을 찍었다. 그는 장진 감독의 바로 다음 작품 <간첩 리철진>에서 일진 고등학생 우열 역을 맡은 이후, 570만 관객을 모은 박찬욱 감독의 출세작인 <공동경비구역 JSA>에서 북한군 병사로 등장해 관객들에게 깊은 인상을 남겨 그해 청룡영화상의 남우조연상 수상을 비롯, 각종 국내 영화 시상식에서 올해의 신인으로 손꼽히며 충무로의 기대주로 각광받기 시작했다. 박찬욱 감독은 원래 신하균이 연기한 정우진 전사로 어린 배우를 캐스팅할 생각이었지만, 그를 캐스팅하기 위해 정우진의 연령을 높이기로 결정했다는 것은 유명한 일화이다.

이후 2001년 포지션이 부른 <I Love You> 뮤직비디오에서 순수하고 앳된 모습으로 대중에게 또한번 이름을 알렸고, 2002년 박찬욱 감독의 복수 3부작 중 첫 번째 영화 <복수는 나의 것>에서 청각 장애인 류 역으로 호평받으며 당시 업계의 기대를 한몸에 받는 '충무로 아이돌'로 불렸다. 그리고 2003년 국내 B급 컬트의 전설적인 작품으로 회자되는 <지구를 지켜라!>에서 병구 역을 맡아 한국영화계 대표 성격파 배우 중 하나로 자리잡았다. 이 영화에서 보여준 광기서린 연기로 그간 쌓아온 선한 이미지를 뒤집는데 성공했다.

2005년 여름에는 공교롭게도 개봉 시기가 맞물려 당시 박스오피스 1위, 2위, 4위를 점령한 한국 영화에 모두 출연했다. 데뷔 후 매년 적어도 한 편 이상 꾸준히 작품을 하고 있으며, 영화 뿐만 아니라 연극, 드라마, 뮤직비디오 등 매체를 가리지 않고 출연하는 편이다.

분명히 동년배 배우들 중에서도 단연 손꼽히는 연기력을 지녔음에도 불구하고 상복이 없었으나 2011년 <브레인>의 이강훈 역으로 KBS 연기대상을 수상하며 오랜 한을 풀었다.

2019년 1,600만 관객을 동원한 영화 <극한직업>에서 오랜만에 매력적인 악역 연기를 보여주면서 미친 존재감을 드러냈고, 2021년 웰메이드 장르물로 평가받는 JTBC 금토드라마 <괴물>의 이동식 역할을 맡아 평단과 시청자들의 찬사를 동시에 받으며 2021 제57회 백상예술대상 TV부문 남자 최우수연기상을 수상했다.