東京都東久留米市の生まれ。1988年にジャニーズ事務所に入り、同年のテレビ東京『あぶない少年Ⅲ』でドラマ初出演。“SMAP”の前身である“スケートボーイズ”やSMAPのサポートメンバーなどを経て、90年に城島茂、松岡昌宏らとともに、バンド形態を取るアイドルグループ“TOKIO”のキーボード担当として参加する。94年、TOKIOはシングル『LOVE YOU ONLY』でCDデビュー。音楽活動やバラエティ番組出演などでたちまち売れっ子になる。国分個人の俳優活動としては、日本テレビ『同窓会』93の同性愛者の青年・藤島潮役、ドラマ初主演のテレビ朝日『八神くんの家庭の事情』94、NHK連続テレビ小説『春よ、来い』94などで実績を積み、日本テレビ『ザ・シェフ』95、『せいぎのみかた』97、『夜逃げ屋本舗』99、フジテレビ『お仕事です！』98、『バスストップ』00、テレビ朝日『お前の諭吉が泣いている』01など多くのドラマで活躍を続ける。2002年のNHKの単発ドラマ『海猿』02・03では、海上保安官・仙崎大輔役で主演。同局『トキオ・父への伝言』04では、櫻井翔演じる未来からやってきた息子との出会いで荒んだ生活から立ち直る青年・拓実を演じる。映画は、05年の薮内省吾監督「ファンタスティポ」で初出演。ある日突然、社長に任命されたミネラルウォーター会社の御曹司・鯉之堀トラジに扮し、堂本剛演じる自由人の弟・ハイジとすれ違いながらも次第に和解し、成長してゆく姿を演じた。堂本とのユニット“トラジ・ハイジ”名義で手がけた映画と同題の主題歌もヒット。さらに07年、平山秀幸監督「しゃべれどもしゃべれども」では、二つ目の落語家・今昔亭三つ葉役で映画初主演もつとめ、香里奈演じるひょんなことから落語を習いに来た無愛想なヒロインや、大阪出身の小学生、元プロ野球選手らと心を通わせてゆく姿を好演する。劇中では実際に古典落語の演目『火焔太鼓』『まんじゅうこわい』も披露。毎日映画コンクールの男優主演賞を受賞する高い評価を受けた。その後は映画出演はなく、日本テレビ『ザ！鉄腕！DASH!!』『ぐるぐるナインティナイン』、フジテレビ『5LDK』、テレビ東京『太一×ケンタロウ・男子ごはん』『たけしのニッポンのミカタ！』10～など、もっぱらバラエティ、情報番組などで活躍。ヒット曲を次々と飛ばし、NHK『紅白歌合戦』に17年連続出場しているTOKIOとしての活動に加え、スポーツ中継のキャスターも多くつとめるなど、マルチタレントぶりを発揮している。