東京都の生まれ。都立玉川高校在学中にスカウトされて芸能界入りし、2002年のテレビ朝日『逮捕しちゃうぞ』で俳優デビュー。原作には登場しないキャラクターで、珍しい本名が作り手の興味をかきたてるのか、役名は“佐伯もこみち”だった。続く、日本テレビ『ぼくの魔法使い』03でも中華料理店の出前持ち役で、役名は“もこみち”。TBS『ヤンキー母校に帰る』03で竹野内豊演じる熱血教師の教え子の不良生徒を演じたあたりから、186cmの長身美形の新人俳優として大いに注目を浴びるようになる。映画初出演は03年の「劇場版・仮面ライダー555（ファイズ）／パラダイス・ロスト」。人間が支配されている近未来の地球で悪の組織に立ち向かう人間解放軍のリーダー・水原役を演じた。05年には、日本テレビ『ごくせん』で不良生徒の土屋光役を演じてブレイクを果たし、フジテレビ『電車男』、テレビ朝日『雨と夢のあとに』、TBS『ブラザー☆ビート』に相次いでレギュラー出演する活躍で、この年のエランドール賞新人賞を受賞する。映画出演２作目の大谷健太郎監督「ラフ」06では長澤まさみの相手役で、高校の水泳部員・大和圭介を好演。不良役以上にスポーツマンが似合うことを証明し、まさに水を得た魚のように輝きを放った。同作で日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞。TBS『輪舞曲（ロンド）』06などを経て、テレビ朝日『レガッタ・君といた永遠』06では連続ドラマ初主演もつとめる。大学ボート部員の主人公・大沢誠を演じ、コンビを組んでいた選手の事故死という悲劇を乗り越える姿を見事に演じてみせた。翌07年には、フジテレビ『東京タワー／オカンとボクと、時々、オトン』で、原作者のリリー・フランキー自身が投影された主人公を演じる。映画はその後、ドラマの劇場版である佐藤東弥監督「ごくせん THE MOVIE」09で、カメラマン助手として働く土屋光のその後を演じた。テレビドラマはほかに、日本テレビ『働きマン』07、『オー！マイ・ガール!!』08、『リバウンド』11、フジテレビ『絶対彼氏・完全無欠の恋人ロボット』08、TBS『こちら葛飾区亀有公園前派出所』09。『ハンマーセッション！』10、NHK『使命と魂のリミット』11など。料理が得意であり、近年は『MOCO飯・きみを笑顔にする料理』などの料理本を出版するほか、テレビ番組などでその腕前を披露する機会が増えている。