1981年1月28日、埼玉県生まれ。学生の頃より音楽活動と演劇活動を行う。2000年に自身が中心となりインストゥルメンタルバンドSAKEROCKを結成。2010年に1stアルバム『ばかのうた』、2011年に2ndアルバム『エピソード』を発表。2012年2月発売の2ndシングル「フィルム」はオリコンウィークリーチャート4位を記録した。その後、7月発売のアネッサCMソング「夢の外へ」、4thシングル「知らない」が立て続けにヒット、2013年5月発売の3rdアルバム『Stranger』はオリコンウィークリーチャート2位を記録、10月に発売された6thシングル「地獄でなぜ悪い」はオリコンウィークリーチャート初登場5位、2014年6月にリリースした初の両A面シングル「Crazy Crazy／桜の森」はオリコンウィークリーチャート4位を記録した。また、同年8月にリリースした初のライブ映像作品『STRANGER IN BUDOKAN』は、オリコンデイリーチャートのBlu-ray、DVD両音楽部門で1位を獲得。2015年3月25日には初の横浜アリーナ単独公演、2日間を収録したBlu-ray＆DVD『ツービート IN 横浜アリーナ』をリリース。そして2015年5月にリリースしたシングル「SUN」（ドラマ『心がポキッとね』主題歌）が、オリコンウィークリーシングルチャートにおいて自己最高となる2位、各配信チャートで軒並み1位を記録するなど大ヒット。8月には弾き語りソロライブ「星野源のひとりエッジ in 武道館」を開催、2日間でのべ26,000人を動員。12月にリリースしたニューアルバム『YELLOW DANCER』は自身初となるオリコンウィークリーアルバムチャートで1位を獲得、大ヒットを記録し、同年末の『第66回NHK紅白歌合戦』への初出場を果たした。2016年1月からはアルバムを携え、約2年ぶりとなる全国ツアー『YELLOW VOYAGE』を開催、さいたまスーパーアリーナ2DAYSを含む、全11都市13公演で10万人を動員する。

俳優として、2012年に『テキサス -TEXAS-』で舞台初主演。2013年は初主演映画『箱入り息子の恋』、映画『地獄でなぜ悪い』(園子温監督)、アニメ映画『聖☆おにいさん』(声の出演・ブッダ役)に出演し、第5回TAMA映画賞最優秀新進男優賞、第35回ヨコハマ映画祭最優秀新人賞、第37回日本アカデミー賞新人俳優賞、第68回毎日映画コンクール スポニチグランプリ新人賞を受賞した。最近のドラマ出演作に『コウノドリ』(TBS)、『真田丸』(NHK)など。また、代表を務める映像ユニット「山田一郎」が制作したSAKEROCKのMV『ホニャララ』は SPACE SHOWER Music Video Awards 09のBEST CONCEPTUAL VIDEO賞を受賞。
そのほか、作家として著書『蘇える変態』、『働く男』、『そして生活はつづく』、『星野源雑談集１』を刊行。現在、ダ・ヴィンチでエッセイ「いのちの車窓から」、テレビブロスで細野晴臣との対談「地平線の相談」が連載中。

2016年3月からはニッポン放送で「星野源のオールナイトニッポン」が、4月からは雑誌AERAにて、星野源の対談連載「音楽の話をしよう」がスタート。また、NHK「LIFE！～人生に捧げるコント～」にも引き続きレギュラー出演中。

音楽家・俳優・文筆家として、幅広く活躍中。