1964年，当时只有4岁的真田广之，被父母带着和哥哥一起，跟同住一栋公寓的孩子一起玩耍，结果被星探发掘，做起了幼儿杂志《好孩子》的封面模特儿。随后以此为契机，于1965年加入了向日葵儿童剧团。凭借参演千叶真一主演的电影《浪曲子守歌》出道，当时使用的是他的本名下泽广之。

1969年，真田广之参加了高仓健主演的电影《新网走番外地：最后的流浪者》的演出，但却被劝“童星最终难成大器”，结果小学四年级的时候停止了一切演艺活动，专心念书。   国中一年级加入JAC （Japan Action Club）学习武打，正式成为千叶真一的弟子。

1978年，参演了由深作欣二执导的动作电影《柳生家族的阴谋》，并首次使用了真田广之的艺名，标志着其正式出道。   1979年，真田广之入读日本大学艺术学部电影系。1981年，参演了由千叶真一、泽田研二主演的惊悚动作片《魔界转生》，真田广之饰演遭遇灭族的伊贺忍者“雾丸”，因此获得第5届日本电影学院奖最佳新人奖。

1982年6月12日，与松坂庆子主演的由深作欣二执导的剧情片《道顿堀川》上映，真田广之饰演爱上29岁少妇的19岁学生“安冈邦彦”；   随后，应香港制片人吴思远之邀，与黄正利、李元霸主演了动作电影《龙之忍者》，影片于6月24日在香港上映。   1983年，真田广之与药师丸博子合演了神话特技电影《里见八犬传》，因此获得第8届日本电影学院奖最佳男主角提名。

1986年，搭档杨紫琼、王敏德，主演了香港动作电影《皇家战士》，真田广之饰演日本刑警“真田”。1993年，主演了野岛伸司所编写的师生恋题材电视剧《高校教师》，真田广之饰演生物老师“羽村隆夫”，与身负乱伦悲剧的樱井幸子谈了一场悲剧的恋爱，由此引发话题。

1995年2月4日，真田广之与岩下志麻主演的由筱田正浩执导的剧情片《写乐的感官世界》上映，其饰演舞台剧艺人“十郎兵卫”，凭此角色获得第69回日本电影旬报奖最佳男主角。

1998年，与松岛菜菜子主演的由中田秀夫执导的恐怖电影《午夜凶铃》，真田广之饰演松岛菜菜子的前夫“高山龙司”，他们要在有限的七天时间里揭开录像带之谜。   1999年，真田广之参加了英国皇家莎士比亚剧团（RSC）舞台剧《李尔王》的公演，成为日本参与该项演出的第一人，并因此授勋大英帝国勋章第五级：员佐勋章（MBE），以肯定其对于英日两国文化交流做出的贡献。

2001年，真田广之搭档铃木京香、米仓凉子，主演了情感电视剧《非婚家族》，饰演被妻子抛弃的中年男子“的场洋介”。   2002年，与宫泽理惠主演了山田洋次执导的爱情电影《黄昏清兵卫》，真田广之饰演薪俸微薄的下等武士“井口清兵卫”，由此获得第76回日本电影旬报奖和第26届日本电影学院奖最佳男主角奖。   此后，真田广之开始向海外发展。

2003年，与汤姆·克鲁斯、渡边谦、加藤小雪联袂主演了由爱德华·兹威克执导的动作片《最后的武士》，真田广之在片中饰演“氏男”。   2005年7月30日，真田广之和寺尾聪、佐藤浩市主演了惊悚剧情片《亡国舰队》，因饰演先任伍长“仙石恒史”而获得第48届日本电影蓝丝带奖最佳男主角，成为继三船敏郎之后在日本历史上第二位三度获得该奖项的演员；   12月15日，搭档张东健、张柏芝、谢霆锋、刘烨，主演的陈凯歌执导的东方奇幻电影《无极》在中国上映，真田广之在片中饰演战无不胜的战神“光明”。

2007年4月5日，主演的由丹尼·鲍尔执导的灾难悬疑片《太阳浩劫》上映，真田广之饰演宇宙飞船“伊卡鲁斯二号”老成持重的机长“凯恩达”；   8月10日，参演的由成龙、克里斯·塔克主演的动作片《尖峰时刻3》上映，真田广之饰演大反派“健二”。

2008年5月9日，由安迪·沃卓斯基、拉娜·沃卓斯基联合执导，克里斯蒂娜·里奇、埃米尔·赫斯基、马修·福克斯主演的动作片《极速赛车手》上映，真田广之在片中饰演大反派若顿旗下车队的队长“穆沙先生”。   2009年，真田广之参演了由奥玛尔·梅特瓦利、安东尼·霍普金斯、劳拉·琳妮主演的剧情片《终点之城》，饰演安东尼·霍普金斯的同性爱人“皮特”。

2010年，参演了由纳威恩·安德利维斯、内斯特·卡博内尔、亨利·伊安·库斯克等人主演的科幻悬疑类电视连续剧《迷失第六季》，真田广之饰演重启的时间轴之中和John有重要交织的神秘人物“道元”。   2011年9月21日，由艾米丽·万凯普领衔主演的犯罪电视剧《复仇》首播，真田广之在剧中饰演与艾米丽·万凯普饰演的女主人公有密切联系的日本商人“伊藤竹田”。

2013年7月26日，与休·杰克曼、冈本多绪、福岛莉拉、山内春、李威尹等主演的科幻动作片《金刚狼2》上映，真田广之饰演金刚狼的敌人之一“矢志田信玄”；   12月25日，与基努·里维斯、柴崎幸、浅野忠信等主演的奇幻动作片《四十七浪人》上映，饰演浅野内匠头家臣“大石内藏助”。

2014年1月11日，由尼尔·纳佩尔、洁蕊·瑞恩主演的生化题材惊悚剧《双螺旋》首播，真田广之饰演北极生物系统研究基地的腹黑科学家“畑博士”；   7月9日，搭档哈莉·贝瑞、皮尔斯·加格农、卡穆琳·曼海姆，主演的科幻剧《传世》首播，真田广之在剧中饰演安元集团总裁“安元秀树”。

2015年，参演了由伊恩·麦克莱恩领衔主演的悬疑推理电影《福尔摩斯先生》，真田广之饰演福尔摩斯的日本友人“梅崎”。   2018年，加盟《疾速追杀3》演反派   。同年，与保罗·路德合作出演的电影《接球手间谍》在美国上映   。

2019年11月，获得第5届亚洲国际电影节杰出成就奖   。

2020年10月，主演由安德鲁·莱维塔斯执导电影《水俣病》   。

2021年4月23日，由温子仁监制，西蒙·麦奎德执导的格斗游戏改编真人电影《真人快打》上映，饰演魔蝎   。