東京都出身。トライストーン・エンタテイメント所属。

渋谷教育学園幕張中学校・高等学校卒業。中学3年生の時、家族の勧めで雑誌『Audition』に掲載されていた「21世紀ムービースターオーディション」に応募、最終選考まで進みながらも入賞は果たせなかったが、その際に現在のプロダクションにスカウトされ芸能界入りする。2000年に任天堂「マリオパーティ3」のCMでデビュー。

2003年、ドラマ『WATER BOYS』で山田孝之演じる主人公の親友・安田孝の役を務め、メインキャストではなかったものの注目を集める。

2006年1月にフジテレビのバラエティ番組『トリビアの泉』のVTRに登場し、何の脈絡もなく微笑みかける謎の青年として話題になった。これ以降も出演するドラマの番組宣伝を兼ねてバラエティ番組に出演する機会が増え、2007年10月からは『どうぶつ奇想天外!』に1年間レギュラー解答者として出演した。このほか、学園祭やトークイベントにも多く参加している。

2008年1月公開の映画『凍える鏡』の岡野瞬役で初の主演を務め、2009年4月から放送の連続ドラマ『子育てプレイ』と、同じく4月に放送された単発ドラマ『ホームレス中学生2』でテレビドラマ主演となる。

2011年8月31日、ドラマ『まっすぐな男』で共演したタレント・女優のさくらと結婚したことを翌9月1日に双方の公式サイトで発表した。また、さくらが妊娠5か月であることも明らかになった。

2012年2月6日、長女が誕生した。

映画『GO』が自身の俳優生活を支えた作品。映画を観て「こういう作品に関わりたいと思い、俳優の道で頑張って行くことを決めた」と語っている。悩んだときはこの作品を観て気を取り直している。
「田中圭」という字が左右対称なのはお母さんが「裏表のない子に育つように」という願いからつけた。
特技はバスケットボール。
中学1年時、母校の学校案内のパンフレットでモデルをつとめた。
実家にはペットとして「ちょこ」という犬が飼われている。名前の由来は「チョコレート」ではなく、「ちょこんと座っていた」から。『CREA』、『わんわん共和国』など雑誌にも登場している。
連続テレビ小説『おひさま』に出演する縁で、2011年には『鶴瓶の家族に乾杯』へゲスト出演した。しかしそのスタジオ収録の最中に東日本大震災が発生。照明が落ちそうなくらいの激しい揺れだったと本人が語っている。その後は一旦収録を再開したが、さらに余震が相次いだためにその日の収録は中止となり、後日改めて収録が行われた。