1973年4月3日出生，1994年就读北海学园大学经济学部经济学科时，加入了学校的舞台剧研究社

读大学时与森崎博之等五人组成“TEAMNACS”。1995年就读大学时认识了铃井贵之，参予北海道电视台的深夜节目《モザイクな夜V3》的演出，同时展开了他的演艺事业。隔年1996年10月在同电视台主持深夜节目《你喜欢星期三吗?》，透过主持节目一炮而红，节目曾经创下18.6%的高收视率。

2005年开始，首次参演富士电视台的连续剧《救命病栋24时》。之后又演出《小早川伸木之恋》、《派遣女王》等多部偶像剧。大泉洋不仅演戏，也曾参与过吉卜力工作室的长篇动画《神隐少女》的配音演出。

2017年，盐田武士以大泉洋为主人公原型创作了小说《错觉画之牙》；12月1日，出演由山田凉介主演的电影《钢之炼金术师》在日本上映。

2018年5月，与小松菜奈共同主演的电影《恋如雨止》将在日本上映。主演冬季上映的电影《三更半夜居然要香蕉~爱的真实故事~》饰演肌肉萎缩患者鹿野靖明。

2019年，主演北海道系列电影《天空的餐馆》饰演设乐亘理。主演TBS出品的剧集《比赛完毕》，凭借该剧获得第17届CONFiDENCE电视剧奖最佳男主角奖。主演电影《新解·三国志》。

2020年，主演电影《欺诈绘之牙》确定于6月上映。

2009年5月2日，与富士电视台的节目制作中岛久美子宣布结婚。