千葉県船橋市の生まれ。1996年にジャニーズ事務所に入り、“ジャニーズJr.”の一員として活動しつつ、98年の日本テレビ『BOYS BE…Jr』でドラマ初出演。2000年、宮藤官九郎脚本、堤幸彦演出のTBS『池袋ウエストゲートパーク』に、アニメオタクの専門学生・水野俊司を好演し、一躍脚光を浴びる。その後もフジテレビ『カバチタレ！』01、『ロング・ラブレター／漂流教室』『ランチの女王』02、TBS『Stand UP!!』03などに次々とレギュラー出演して、“ヤマピー”の愛称が定着するとともに、甘いマスクに野性味も感じさせるアイドルスターとしてキャリアを積み重ねていった。03年、錦戸亮、小山慶一郎、加藤成亮らとアイドルグループ“NEWS”を結成。『NEWSニッポン』でCDデビューも果たし、翌04年に明治大学商学部に入学してからは、グループでの音楽・タレント活動と個人での俳優業、そして大学生の三足のわらじを履く。05年、TBS『ドラゴン桜』では、阿部寛扮するカリスマ講師に導かれて東京大学合格を目指すことになる落ちこぼれ高校生を好演。日本テレビ『野ブタ。をプロデュース』95では、亀梨和也とのコンビで風変わりな高校生の青春群像を独特の感性でしなやかに演じた。また、ふたりの役名を冠した亀梨とのユニット“修二と彰”名義で手がけた主題歌『青春アミーゴ』もミリオンセラーを記録する。06年、TBS『クロサギ』で、詐欺師に騙されて心中した自身の家族の無念を晴らすために、詐欺師を騙す詐欺師“クロサギ”に身を落とす影を帯びた主人公を熱演。08年には石井康晴監督の劇場版「映画クロサギ」も作られ、映画初主演も飾る。それ以前の映画は、ジャニーズ事務所に入る前に子役として出演した96年のオムニバス・ホラー「心霊」があったが、実質的にはこの「クロサギ」が初出演となり、その後もドラマを中心にした活躍が続くため、以降も11年の曽利文彦監督「あしたのジョー」があるのみに留まる。伝説的な名作ボクシング漫画『あしたのジョー』の主人公・矢吹丈を演じるにあたって、山下は極限まで鍛え抜いた身体をスクリーンに焼きつけ、単なるアイドル俳優の域に収まらない迫真の芝居を見せた。ドラマはほかに、フジテレビ『プロポーズ大作戦』07、『コード・ブルー／ドクターヘリ緊急救命』08・10、『ブザー・ビート／崖っぷちのヒーロー』09など。08年に明治大学を卒業。ソロ歌手としても活躍し、11年10月に錦戸とともに“NEWS”を脱退、以降は個人の活動に専念すると発表した。