茨城県勝田市（現・ひたちなか市）の生まれ。県立佐和高校在学中にスカウトされて芸能界入りし、モデルとして活躍したのちの1997年、日本テレビの深夜ドラマ『告白』で俳優デビュー。同性愛をテーマにした同作の美容師役で主演をつとめた。さらに、人気ゲームを基にした菅原浩志監督の青春映画「ときめきメモリアル」97で映画初出演。98年のフジテレビ『GTO』では、教師いじめの首謀者の高校生という重要な役どころを演じ、一躍注目を集める。三池崇史監督の「BLUES HARP」98では、田辺誠一演じるやくざに思いを寄せられるハーフのバーテン役で映画初主演。のちに池内自身も日本人の父とエルサルバドル人の母を持つハーフであることを明かしており、彫りの深い顔立ちを活かして、黒沢清監督「カリスマ」99、篠原哲雄監督「昭和歌謡大全集」03、中村義洋監督「チーム・バチスタの栄光」08など、有名監督の作品で個性の強いキャラクターを演じることが多くなった。2006年には「13の月」で監督業にも挑戦。柏原崇と大塚寧々を主演に迎え、せつないラブストーリーを描き切った。08年の香港映画「イップ・マン／序章」では日本の軍人役に扮し、類型的な悪役に陥ることなく誇り高い人間像を好演。空手を駆使して、ドニー・イェンを相手に壮絶なアクションも繰り広げた。テレビドラマの出演作はほかに、日本テレビ『ロマンス』99、『共犯者』03、TBS『天国に一番近い男』99、『ビューティフルライフ』00、NHK『新選組！』04、フジテレビ『人間の証明』04、テレビ東京『最上の命医』11、WOWOW『下町ロケット』11など。舞台も『髑髏城の七人・アオドクロ』04、『リア王』08、『コースト・オブ・ユートピア／ユートピアの岸へ』09、『イリアス』10など多数あり、11年の『欲望という名の電車』では主演もつとめる。