明治時代の小説家・国木田独歩の玄孫にあたり、両親が付けた名前の「歩」は独歩に由来する。宮城県生まれ、東京都育ち。

東京都立小石川高等学校、日本大学藝術学部文芸学科卒業。中学までサッカー、高校はバレー部で、大学では落語研究会に所属した。役者を目指す足掛かりとして大学在学中にモデルを始める。モデル時代はギグマネジメントジャパンに所属していた。2012年1月にモデルをやめ、アルバイトをしながらオーディションを受ける。美輪明宏主演の舞台『黒蜥蜴』のオーディションで200名の中から雨宮潤一役に選ばれ、2013年4月、同舞台で俳優デビューした。

2014年上半期に放送された連続テレビ小説『花子とアン』で仲間由紀恵演じる蓮子の駆け落ち相手・宮本龍一役でTVドラマ初レギュラーとなる。2015年5月公開の初主演映画『グッド・ストライプス』で第7回TAMA映画賞最優秀新進男優賞を受賞。

2019年、第76回ヴェネツィア国際映画祭コンペティション部門に選出された『サタデー・フィクション』で初の海外作品出演。2021年、出演作『偶然と想像』が第71回ベルリン国際映画祭銀熊賞を受賞した。

2021年11月からアジアを中心に公開された香港映画・『梅艷芳ANITA』に出演（日本劇場未公開。2022年4月からDisney+でディレクターズカット版が日本配信）。2022年、『いとみち』『偶然と想像』で第35回高崎映画祭最優秀助演俳優賞を受賞。