石川県金沢市の生まれ。子供の頃から自転車競技に熱中し、地元の大会で優勝するなどして競輪選手を目指すが、家庭の事情により高校を中退、競輪選手の夢を断念する。ゲームセンターのプリクラ写真で実施されたオーディションに合格したのをきっかけに、俳優を目指して上京。アクターズクリニックなどで演技を学び、2000年、自ら事務所に売り込みをかけて芸能界入りすると、02年のテレビ朝日『忍風戦隊ハリケンジャー』で、ハリケンレッドに変身するリーダー・椎名鷹介役に抜擢される。イケメンヒーロー・ブームに乗って人気を博し、劇場版「忍風戦隊ハリケンジャー／シュシュッとTHE MOVIE」02で映画初出演も果たす。１年間の『ハリケンジャー』主演を終えたあとは、フジテレビ『Dr.コトー診療所』03、TBS『奥さまは魔女』04などの人気ドラマに続けて出演。さらに、05年の井筒和幸監督「パッチギ！」の主演・松山康介役に起用される。沢尻エリカ演じる在日朝鮮人の女子高生・キョンジャと恋に落ちる京都の高校生を演じた塩谷は、“井筒学校”と呼ばれる撮影現場での厳しい指導を通じて一皮むけた演技を披露。ヨコハマ映画祭、日本アカデミー賞の新人賞を受賞し、一躍注目の存在となった。その後も、太平洋戦争当時に人間魚雷の操縦士となった若者の青春を描いた佐々部清監督「出口のない海」06、薄幸な少女の純愛を描いたタナダユキ監督「赤い文化住宅の初子」07、役所広司演じる末期癌で余命半年の父親の長男役を演じた井坂聡監督「象の背中」07、藤原竜也主演、阪本順治監督のクライムアクション「カメレオン」08などの映画でさまざまな役柄に挑む。08年には海外進出も睨んで武者修行のために渡米し、ハリウッドに滞在した。テレビドラマはほかに、NHK『生き残れ』05、『トップセールス』『七瀬ふたたび』08、TBS『デザイナー』05、『白夜行』06など。舞台も『ふたり』04、『僕たちの好きだった革命』07・09、『永遠の一秒』10、『ジャンヌ・ダルク』10などで活躍し、役者としての幅を広げつつある。子供の頃からボランティア活動にも積極的に参加し、現在もさまざまなかたちで支援活動に携わっている。