1998年，16岁的小栗旬参演电视剧《麻辣教师》，饰演一名性格软弱的学生。在此之前，他已在多部电视剧中饰演配角，他曾回忆当时的“跑龙套往事”：“主演坐在温暖的外景车里，我们这些跑龙套的都在寒风里冻着，当时我就想，总有一天我也要坐进那辆车里。”

2005年，小栗旬同井上真央、松本润、松田翔太主演电视剧《花样男子》，饰演言行举止温柔优雅，但与人交往总保有疏离感和神秘感的花泽类。这部日剧后来被改编为台湾版、大陆版等多个版本。

2007年，小栗旬主演电影《热血高校》，饰演嗜好打架的不良学生泷谷源治，从《麻辣教师》到《花样男子》和《热血高校》，小栗旬饰演了多个高中生角色，他本人桀骜不驯、玩世不恭的气质对这些形象的成功塑造也有积极的作用。

2007年，小栗旬搭档香川照之、中山裕介、小出惠介等主演悬疑喜剧片《如月疑云》，影片讲述女演员如月美纪自杀一年后，五位男粉丝在纪念她的追悼会上相遇，并展开了对她死亡真相的推理。作为一部在密闭空间中依靠推理不断推进剧情的影片，《如月疑云》的“真相”在谋杀与自杀中不断反转，五位粉丝的真实身份也逐渐揭晓，看点十足。

2007年，小栗旬和崛北真希、生田斗真等主演日剧《偷偷爱着你》，该剧改编自中条比纱也的同名漫画，讲述了女主角芦屋瑞稀偶然在电视上看到一个跳高男孩的英姿，于是一见钟情，为了追求他，女扮男装转学进入佐野泉所就读的男校，和自己心上人同处一室发生的爱情故事。原著漫画还曾被改编为台剧《花样少男少女》，由陈嘉桦、吴尊、汪东城等人主演。

2012年，小栗旬搭档石原里美主演电视剧《有钱男与贫穷女》，饰演只有初中文凭但白手起家身价百亿的富豪日向彻，石原里美则饰演高等学府毕业的职场小白夏井真琴，性格存在缺陷的日向和谨慎过度的真琴彼此发生着碰撞，又相互吸引与感动，现代社会职场中的灰姑娘故事就此上演。该剧为小栗旬赢得了当年日剧学院赏最佳男主角。

2014年，小栗旬、柴崎幸、向井理、山田孝之等人主演日剧《信长协奏曲》，影片改编自同名漫画作品，讲述对历史一无所知的高中生三郎（小栗旬饰）穿越回到战国，靠口才和幽默化解危机、夺取天下的故事。

2014年，小栗旬、青木崇高、波瑠主演电视剧《BORDER》，该剧小栗旬饰演的刑警石川安吾与搭档在一起凶杀案中目睹了死者的鬼魂，鬼魂拜托他抓住真正凶手，通过全力奔走和追查证据和线索，石川和同侪真凶绳之于法，但石川也在这一过程中不知不觉跨过善与恶的界限。该剧获得了第81届日剧学院赏的最优秀作品、最佳男主角、最佳编剧等三项大奖。

2015年，小栗旬主演电视剧《无间双龙：这份爱，才是正义》，该剧主演还包括生田斗真、上野树里和吉田羊。小栗旬和生田斗真在剧中为了给儿时的老师（广末凉子饰）复仇，一人成为冷酷无情、手段毒辣的黑帮老大，一人加入警署成为王牌刑警，分头朝着最终的目标前进。 小栗旬把握住角色在善恶边缘游走的挣扎心理，这个复杂的黑道角色也让他展现了十足的演员魅力。

2017年，堪称“漫改专业户”的小栗旬又和菅田将晖、桥本环奈、长泽雅美等人主演真人电影版《银魂》，饰演万事屋老板坂田银时。影片上映后，原著粉丝都十分认可对角色和剧情的还原度，但也有粉丝诟病影片打戏部分设计简单，特效也只是差强人意。

2019年，小栗旬主演蜷川实花执导的《人间失格：太宰治和三个女人们》，饰演文豪太宰治，影片讲述太宰治和妻子美知子、有志成为作家的情人静子以及他最後一位情人富荣之间的故事，三位女性分别由宫泽理惠、泽尻英龙华和二阶堂富美饰演。影片延续蜷川实花对繁复华丽画面和张扬大胆剧情的偏爱，但观众多认为影片剧情叙述过于薄弱，致使人物行为不足以令观众信服。