2000年，星野源与高中同学共同组建了一只名为“SAKEROCK”的乐队，由此开始了演艺生涯 。2003年加入剧团经纪公司“大人计划”，之后首次参演大人计划舞台剧《人间破产》及电视剧《水男孩》 。

2004年参演电影《69》，在剧中饰演中村让一角。2007年，星野源与日本作曲家细野晴臣在《TVBros》杂志上共同连载对谈文章《地平线的相谈》 。7月，主演短篇喜剧《去年在雷阿诺》在东京电视台播出。2009年9月，出版散文集《然后生活继续下去》，星野源首次出版文学作品。

2010年3月，与松下奈绪、向井理出演电视剧《怪怪怪的妻子》，星野源在剧中饰演村井布美枝的弟弟 。6月，在细野晴臣的提议下，星野源以个人名义发行了首张音乐专辑《笨蛋之歌》，专辑入选次年举办的第3回CD店大奖候选曲目 。

2011年3月2日，首张单曲《在无趣之中》发售。11月，发行了第二张专辑作品《EPISODE》，专辑首周销量1万张，入选日本公信榜（2011年10月10日付）周榜第五名，并累计在榜55周 。

2012年2月7日，第4回CD店大奖获奖曲目发表，星野源专辑作品《EPISODE》获奖项准大奖 。2月11日，电影《啄木鸟与雨》上映，星野源第二张单曲《FILM》成为影片主题曲 。12月3日，OVA动画《圣哥传》发售，星野源首次参与了动画配音工作，在剧中出演佛祖一角。

2013年2月28日，星野源重启演艺活动，出席了J-WAVE举办的”TOKIO HOT 100 CHART OF THE YEAR“颁奖仪式 。4月5日，冠名电台节目《星野源的Radical》在NHK-FM频道开播。5月10日，剧场版动画《圣哥传》在日本上映，星野源参与动画配音。6月28日，冠名电台节目《星野源的Radical》停播 ，原定于7月在日本武道馆举办的演唱会同时宣布延期进行 。同年凭借主演电影《宅男之恋》与参演电影《地狱为何恶劣》获选第68回每日电影奖新人奖、第23回日本电影影评人大奖新人奖、第35回横滨电影节新人奖以及第37回日本电影学院奖新人演员奖。11月，收录于单曲《不知道》中的曲目《季节》成为电影《不求上进的玉子》主题曲 。

2014年2月6日，复出后的首场演唱会”星野源 ワンマンライブ STRANGER IN BUDOKAN“在日本武道馆举行 。3月10日起，相继在日本全国8个城市举办了”星野源の复活アアアアア!“复出演唱会，演唱会共举办9场；4月9日，演唱会最终站在位于东京的NHK音乐厅举行 。

2015年3月25日，所属音乐经纪公司由KAKUBARHYTHM变更为AMUSE。5月，发售单曲《SUN》，单曲发售首周销量超过5万张，入选日本公信榜单曲周榜第2位（2015年6月8日付 ）；单曲同时成为富士电视台电视剧《心碎四角关系》主题曲。6月2日，在高中时期组建的乐队“SAKEROCK”正式解散，同日在东京两国国技馆举行了解散演唱会 。10月，参演电视剧《产科医鸿鸟》播出，在剧中饰演产科医生四宫春树。12月31日，首次参演红白歌合战，演唱单曲《SUN》 。

2016年，专辑《YELLOW DANCER》获第8回CD店大奖大奖 、第58回日本唱片大奖优秀专辑奖 、第6回日本唱片封面奖大奖 ，并入选日本公信榜周榜第一名。1月10日，参演大河剧《真田丸》播出，在剧中饰演家康三子，江户幕府二代将军——德川秀忠 。3月，冠名电台节目《星野源的 ALL NIGHT 日本》开播，这是星野源在2013年《星野源的Radical》停播后出演的首个冠名电台节目 。10月，与新垣结衣主演的电视剧《逃避虽可耻但有用》播出，在剧中饰演男主人公津崎平匡；同月，电视剧主题曲《恋》发售，单曲发售首周销量达10万张，累计销售量超过30.5万张，入选日本公信榜单曲周榜第2位（2016年10月17日付 ），并在Recochoku配信、iTunes配信周榜连续14周登顶（2017年1月18日付 ），该曲还获得2017东京国际电视节最佳主题曲奖 。12月31日，登上第67回NHK红白歌合战的舞台 。

2017年，凭借《产科医鸿鸟》《真田丸》《逃避虽可耻但有用》三戏的综合表现，获得日本电影电视制作人协会颁发的第41届黄金飞跃奖新人赏 。5月，其主演NHK的节目《和源太太一起》开播，他男扮女装扮演主人公源太太 。6月，参演电视剧《产科医鸿鸟2》 。8月16日，个人第10张单曲、电视剧《温室里的加穗子》主题曲《Family Song》发行，单曲发行后首周销量达19.2万张，刷新了星野源个人单曲周销量记录，并在日本公信榜单曲周榜中首度登顶（2017年8月28日付 ）。12月31日，第三次参演红白歌合战，演唱歌曲《Family Song》。

2018年2月28日，发行第11张单曲《哆啦A梦》，单曲A面曲同时作为同名动漫剧场版《哆啦A梦：大雄的宝岛》主题曲使用 。8月20日，个人首张网络配信单曲《アイデア》首发，单曲作为NHK晨间小说连续剧《一半，蓝色》主题曲使用 。12月19日，发行个人第五张音乐专辑《POP VIRUS》 。12月31日，连续第四年登上红白歌合战的舞台，演唱歌曲《アイデア》 。

2019年2-3月，展开五大巨蛋巡回演唱会，成为继桑田佳祐、小田和正、福山雅治、ATSUSHI之后，史上第五位站上日本五大巨蛋的个人男歌手 。主演8月30日上映的电影《搬家的大名》 。

2020年，与小栗旬联袂主演电影《罪之声》 。与绫野刚共同主演电视剧《MIU404》 ；12月31日，以白组歌手身份参加第71回NHK红白歌合战 。

2021年1月2日，其出演的《逃避虽可耻但有用特别篇》播出 。