神奈川県川崎市の生まれ。小学校５年生の時にスカウトされ、芸能界入り。2001年、岩井俊二監督「リリイ・シュシュのすべて」の蓮見雄一役で青春の痛みをリアルに体現し、鮮烈な主演デビューを飾る。その後、数本のテレビドラマ出演を経て、03年は映画が相次いだ。大森一樹監督「T.R.Y.」の主人公の弟分役を皮切りに、塩田明彦監督「黄泉がえり」では、自殺に追い込んだ生徒らも集う自分の葬儀中に生き返った少年の葛藤を演じ、グ・スーヨン監督「偶然にも最悪な少年」では、在日韓国人のいじめられっ子をハイテンションに熱演。軽妙な身のこなしにリズミカルな台詞回しと、その後の市原の演技スタイルが誕生した同作で、日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞する。滝田洋二郎監督「陰陽師Ⅱ」では、奇妙な因縁を背負う琵琶の名手を演じた。この03年はテレビドラマでも、フジテレビ『僕の生きる道』では医学部志望の高校生、NHK『緋色の記憶・美しき愛の秘密』では父親の愛人の美術教師に憧れる青年を好演。TBS『ヤンキー母校に帰る』では粗暴でナイーヴな中心的生徒役を担った。以後も、連続ドラマ初主演のフジテレビ『ウォーターボーイズ２』04や、TBS『あいくるしい』05などを経て、大ヒットしたTBS『ROOKIES』08でさらに人気を高める。09年の映画版「ROOKIES／卒業」はその年の日本映画の興行収入第１位を記録。天才鍵師の主人公に扮した日本テレビの深夜ドラマ『猿ロック』09も、10年に映画化された。映画はほかに、ラップを披露した宮本理江子監督「チェケラッチョ!!」06、せつないほど鈍感な青年を好演した熊澤尚人監督「虹の女神／Rainbow Song」06、シュールな事態で活力を得る高校生を等身大で演じた北村拓司監督「ネガティブハッピー・チェーンソーエッヂ」08などがあり、数カ月の特訓の末に天才ボクサーになりきった李闘士男監督「ボックス！」10、若き警察官と警備犬の絆を描いた七高剛監督「DOG×POLICE／純白の絆」11まで次々と主演作を重ねる。『カーディガン』10では初舞台も踏み、最新主演ドラマのTBS『ランナウェイ・愛する君のために』11も好調な中、若々しいナチュラルさが今後どう変容するのか見守りたい。