2006年，高中二年级的黄金周在东京原宿竹下通逛街时被Amuse事务所星探挖掘入社，同年参演深夜剧《公主公主D》和《死神的歌谣》。
2007年，主演特摄剧《假面骑士电王》和三部衍生电影，在剧中一人分饰八角，为当时假面骑士特摄系列最年轻的主演。此作品在DVD销量、电影票房等多方面创下该特摄系列的记录。同年参演电影《侠盗石川》。
2008年，参演日剧《rookies》，该作电影版《rookies卒业》同年上映，收获85亿票房成为年度票房冠军，其因此人气急升。同年参演日剧《血色星期一》。
2009年，参演日剧《我的帅管家》，获得日剧学院赏最佳男配角赏。同年参演日剧《Mr.Brain》。参演日剧《血色星期一2》。参演特别剧《MW第0章恶魔的游戏》。参演恐怖系列剧《毛骨悚然撞鬼经10周年特别篇》。
2010年，主演日剧《Q10》，该作获得第48届银河赏优秀作品赏。参演电影《BECK》，获得第35届日本电影电视制作人协会赏新人赏和第21届日本映画批评家大赏新人赏。参演大河剧《龙马传》，饰演幕末四人斩之一的冈田以藏，演技获得肯定。参演电影《圈套剧场版3：灵异者大混战》。
2011年，参演日剧《冬之樱》。同年主演反战特别剧《最后的羁绊》。
2012年，主演舞台剧《罗密欧与朱丽叶》，为其首次参加舞台剧演出。同年主演漫改动作电影《浪客剑心》，成为日本平成代第一位主演票房单作超30亿日元的演员。
2013年，主演文艺电影《真实：完美的蛇颈龙之日》。同年主演纯爱电影《迷雾中的蝴蝶（她爱上了我的谎）》，收获17.8亿日元票房。同年参演描写旧时代背景下父子物语的日剧《鸢》获得2013年亚洲电视大奖最佳作品奖，其在剧中的优秀表现获得男性观众高评。
2014年，主演漫改动作电影《浪客剑心：京都大火篇》和《浪客剑心：传说的完结篇》分别收获52.2亿日元票房和43.5亿日元票房，该系列获得第27届石原裕次郎奖和第38届日本电影学院奖年度话题作品奖，其入围第9届亚洲电影大奖最佳男主角奖。同年主演喜剧《父子刑警》。
2015年，主演TBS建台60周年台庆剧《天皇的料理人》，该作获得第85届日剧学院赏六个奖项，第8届东京国际电视剧节包括年度最佳作品在内的四个奖项。其获得第85回日剧学院赏最佳男主角，第8届东京国际电视剧节最佳男主角，第24回桥田赏和第42届放送文化基金赏表演赏。同年主演电影《食梦者》，该作获得第39届日本电影学院奖年度话题作品奖，收获票房17.6亿日元。
2016年，主演小说改编文艺电影《假如猫从世界上消失了》，在该片中一人分饰两角，作品讲述面临死期的青年为了延续自己的生命，签下一份让世界上某种事物消失的契约，并由此回顾自己人生的故事。同年，主演由直木奖小说改编诠释就职活动心理战的文艺电影《何者》。
2017年，主演漫改科幻动作电影《亚人》。同年主演真实事迹改编电影《跨越8年的新娘》，作品讲述丈夫细心照料陷入怪病昏睡的妻子，8年后终于迎来奇迹的感人故事，票房突破28亿日元，入围第41届日本电影学院奖最佳男主角奖。
2018年，主演电影《亿男》。参演NHK电视台晨间剧《一半，蓝色》，为其首次参加晨间剧的演出，凭借该剧获得第98届日剧学院奖最佳男配角奖。7月，参演家庭剧《继母与女儿的蓝调》，饰演无业游民麦田章。同年参演电影《犬屋敷》，首次挑战反派。同年参演电影《硬核》。12月22日，参演特摄电影《假面骑士平成世代》，时隔10年后再次饰演野上良太郎。
2019年2月22日，他主演的电影《马拉松武士》上映。主演舞台剧作品《人啊》拍摄的真人电影版。为日本首部全3DCG动画电影《勇者斗恶龙：你的故事》配音。
2020年，真人电影《浪客剑心》宣布夏季推出两部最终章续作，佐藤健回归。1月，其出演的由上白石萌音主演的电视剧《将恋爱进行到底》播出，在剧中饰演长相帅气、医术高明的抖S医生天堂浬。3月20日，他参演的由广濑铃主演的喜剧片《试着死了一次》上映，在片中饰演高级俱乐部服务生。
