神奈川県藤沢市の生まれ。1987年にジャニーズ事務所に入り、翌88年、木村拓哉、稲垣吾郎ら６名によるアイドルグループ“SMAP”を結成。リーダーをつとめ、91年、シングル『Can't Stop（Loving）』でCDデビューを果たす。グループとしての音楽活動やバラエティ番組出演などと並行して、俳優としても活動。テレビ東京のドラマ『あぶない少年Ⅲ』88にグループで出演したのを皮切りに、TBS『時間ですよ・平成元年』89、NHK『腕におぼえあり』91、フジテレビ『学校へ行こう！』91などに個人で出演する。これらの芸能活動と並行しながら、都立代々木高校定時制を卒業。映画には、稲垣が主演した93年の日米合作「プライベート・レッスン」に友人役でゲスト出演したのが最初で、翌94年にはSMAPのメンバー全員で大森一樹監督「シュート！」に主演する。中居は全国制覇を目指す高校サッカー部のエースストライカー・田仲俊彦役を演じ、注目を集めた。同年、萩本欽一企画の短篇映画集「第２回欽ちゃんのシネマジャック」の中の、萩本監督篇「なんかへん？ PART2」で萩本と桃井かおりの息子役を演じている。その後は映画からは遠のき、SMAPが『がんばりましょう』『夜空ノムコウ』などのヒット曲を次々と放ってスーパーアイドルの座につくのと並行しながら、俳優としてはテレビドラマで活躍。95年のテレビ朝日『味いちもんめ』では、若き板前の主人公・伊橋悟を演じてドラマ初主演を飾る。やんちゃな若者が一人前に成長していく姿を等身大に演じて好評を博し、続けて続編、スペシャル版などが作られる最初の代表作とした。以後も、フジテレビ『勝利の女神』96、『ナニワ金融道』96～05、『ブラザーズ』98、『婚カツ！』09、TBS『最後の恋』97、『good news』99、『白い影』01、『砂の器』04、日本テレビ『伝説の教師』00など多数に主演。映画は、宮部みゆき原作、森田芳光監督の「模倣犯」02で久々に銀幕復帰し、メディアを利用して時代の寵児となる大胆不敵な天才犯罪者“ピース”こと網川浩一を好演する。さらに６年が空いた2008年には往年の名作ドラマのリメイク「私は貝になりたい」で、第二次世界大戦の戦犯として逮捕されてしまう理髪師・清水豊松役に丸坊主にして挑んだ。同作で日刊スポーツ映画大賞の主演男優賞を受賞。バラエティ番組に引っ張りだこで多忙を極める中、映画、ドラマともに作品を厳選した俳優活動が続いている。