2010년 청춘 사극물 《성균관 스캔들》로 인기를 얻기 시작했다. 2012년 하반기에 그의 첫 주연 드라마 《세상 어디에도 없는 착한 남자》와 영화 《늑대소년》이 연이어 성공했다. 2015년 5월 26일, 군 복무를 마치고 촬영한 2016년 방영 드라마 《태양의 후예》가 사전 제작 드라마 사상 최고의 인기와 수익을 거두었다.

초등학교 1학년 때부터 쇼트트랙 선수로 활약했으며 대전광역시 대표 선수로 전국체육대회에도 3차례 출전했다. 중학교 2학년 때 선수 생활을 마감했는데, 언론에는 부상과 파벌 등의 이유로 그만뒀다고 나왔지만, 본인의 인터뷰에 따르면 부상보다는 쇼트트랙으로는 먹고 살기 힘들겠다는 생각을 해서 그만뒀다고 한다. 참고로, 그 당시 송중기와 비슷한 나이대의 선수들은 안현수, 이호석, 성시백 등이 있었는데 대한민국 남자 쇼트트랙 역사상 최고 전력을 자랑했던 선수들과 같은 황금세대의 최전성기였음을 생각해보면 송중기의 말이 이해가 간다.

그래도 동계올림픽 출전을 꿈 꿀 정도로 인생의 전부였던 쇼트트랙을 그만 두고 속상한 마음에 많이 울었다고 한다. 하지만 이내 마음을 다잡고 공부에 전념했는데, 영어와 수학은 선수 시절에도 과외를 받아 꾸준히 공부를 해서 크게 걱정은 없었고 승부욕과 오기를 가지고 공부를 했더니 금방 성적이 올랐다고 한다.

고등학교 시절에는 온전히 학업에 집중했다고 한다. 고등학교 3학년 때는 내신 성적이 전부 '수'였으며 전교부회장을 맡았을 정도로 학교 생활을 열심히 한 것으로 보인다. 담임 선생님이 신문을 통해 송중기에게 편지를 보냈는데, 그 편지 내용에는 "학생들의 정당한 주장을 관철시키기 위해 적극적으로 행동했던 네가, 지금 생각해봐도 참 대견하구나" 라고 써있었던 걸 보면 리더십 또한 있었던 것으로 보인다. 또 훈훈한 외모 때문에, 옆 학교 여학생들이 축제 때 직접 보러오기도 했다고 한다.