近代のプロ野球では非常に稀な存在となる、シーズンを通して投手と打者を兼任する「二刀流（英: two-way player）」の選手。投手としての球速165 km/hは藤浪晋太郎・佐々木朗希と並んで日本人最速記録である。また、先発投手兼打者として、NPBで1度のリーグ優勝、1度の日本シリーズ優勝、日本代表では、1度のワールド・ベースボール・クラシック（WBC）優勝に大きく貢献している。
2012年のNPBドラフト1位で北海道日本ハムファイターズから指名される。
2013年の入団以降「二刀流」の選手として試合に出場。
2014年には11勝、10本塁打で日本プロ野球（NPB）史上初となる「2桁勝利・2桁本塁打」を達成。
2016年には、NPB史上初となる投手と指名打者の両部門でベストナインのダブル受賞に加え、リーグMVPに選出された。
2017年オフ、ポスティングシステムでメジャーリーグベースボール（MLB）のロサンゼルス・エンゼルスに移籍。
2018年シーズンから投打にわたり活動し、日本人史上4人目の新人王を受賞。
2021年シーズンでは、2001年のイチロー以来となる日本人史上2人目（アジア人史上でも2人目）のシーズンMVPとシルバースラッガー賞を受賞している。9月には、タイム誌による「世界で最も影響力のある100人」 に、「アイコン（象徴）」のカテゴリーでヘンリー王子＆メーガン妃、女優のブリトニー・スピアーズらと共に選出された。12月、スポーティングニュース発表の「スポーツ史上最高のシーズンTOP50」では、エンゼルス大谷翔平の2021年シーズンを1位に選定。同月、AP通信の年間最優秀男性アスリート賞を受賞した。
2022年8月9日、MLBではベーブ・ルース以来約104年ぶりとなる、二桁勝利・二桁本塁打を達成。10月5日、近代MLBで投手打者の両方で規定回に達した初めての選手となった。
2023年のWBCでは、エース兼打者として日本代表に大きく貢献。WBC史上初の2部門（投手部門・指名打者部門）でのオールWBCチームに選ばれ、WBCのMVPも受賞している。シーズンでは日本人およびアジア人史上初となる最多本塁打を獲得。また、日本人史上2人目（アジア人史上2人目）となる2回目のシルバースラッガー賞を受賞し、さらに日本人史上初（アジア人史上初）の2回目のシーズンMVPも受賞。日本人史上初（アジア人史上初）となるハンク・アーロン賞も受賞した。