神奈川県横須賀市の生まれ。父は政治家で第87～89代内閣総理大臣の小泉純一郎、３歳下の弟は自民党・衆議院議員の小泉進次郎。逓信大臣などをつとめた曽祖父・小泉又次郎から三代続く政治家一家の長男として生まれながら、早くから俳優志望で、2000年、石原プロモーションが新人発掘のために行なったオーディション“21世紀の裕次郎を探せ！”に応募するも、身長が180cmに満たなかったために二次審査で落選。しかし、翌01年に父・純一郎が総理に就任すると、その話題性で複数の芸能事務所から声がかかり、父に直談判して芸能界入りを決める。同じ事務所の先輩であるいかりや長介に師事。CM出演などを経て、02年にレギュラー出演したフジテレビ『初体験』、日本テレビ『ナースマン』の２作が同時期に放映されて、俳優としてデビューする。前者では水野美紀演じるヒロインの弟役、後者は松岡昌宏扮する新米看護師の中学時代の同級生だった研修医役。石原慎太郎原作、石原裕次郎主演の名作映画「狂った果実」を現代を舞台にリメイクしたTBS『狂った果実2002』では初主演もつとめた。当初は演技も拙く、自らも話題先行の“親の七光り”と認めざるを得なかったが、次第に実直な好青年や頼りないダメ男の役などに適性を発揮し、独自の立ち位置を獲得していく。03年、本広克行監督のメガヒット作「踊る大捜査線THE MOVIE２／レインボーブリッジを封鎖せよ！」に、監視システムの開発者として民間企業から警視庁に出向した技術者・小池茂役で映画初出演。以後のシリーズでも続けて同じ役を演じる。テレビドラマはほかに、TBS『しあわせのシッポ』02、フジテレビ『ホーム＆アウェイ』02、『僕だけのマドンナ』03、『スローダンス』05、『アテンションプリーズ』06、『花嫁とパパ』07、『HUNTER／その女たち、賞金稼ぎ』11、テレビ朝日『オトコの子育て』07、『崖っぷちのエリー・この世でいちばん大事な「カネ」の話』10、『悪党・重犯罪捜査班』11、NHK『義経』05、『カーネーション』11、日本テレビ『ハケンの品格』07、『ごくせん』08など多数。連続ドラマ初主演をつとめた09年のテレビ朝日『コールセンターの恋人』では、一流商社に勤める都会派サラリーマンを自負していたが地方のコールセンターに左遷されて苦情処理に奔走する主人公に扮し、誠実で爽やかな印象を地で行く好演を見せた。