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1999年、ドラマ『ナオミ』で俳優デビュー。映画『逆境ナイン』で初主演を飾り、殺人犯を演じた『手紙』でアイドル俳優から脱皮する。純愛映画『カフーを待ちわびて』、社会派映画『ハゲタカ』、人間ドラマ『星守る犬』など、近年、芸域を広げつつある。 玉山鉄二は1999年にドラマ『ナオミ』（フジテレビ系）でデビュー。2014年に、ドラマ『マッサン』（NHK）で主演した。 映画では『手紙』、『ノルウェイの森』など、ドラマは『そして、誰もいなくなった』（日本テレビ系）や、『野武士のグルメ』（Netflix）に出演している。 プライベートでは2012年に一般女性と結婚している。

女性ファッション雑誌「PINKY」のPINKY 第2回プリンセスPINKYオーディションでグランプリを受賞。その後、モデルとして活動し、2008年公開の映画「ハンサム★スーツ」で女優としての活動もスタートさせた。2009年にドラマ「神の雫」（日テレ系）で連ドラ初出演。同年に人気携帯小説を映画化した「天使の恋」で映画初主演を務めるなど、モデル、女優と多岐にわたり活躍中。

2001年韓国ドラマ「我が家」にて韓国で女優としてデビュー。2006年フジテレビドラマ「アテンションプリーズ」、2008年テレビ朝日ドラマ「小児救命」、2016年読売テレビドラマ「ドクターカー」などに出演。映画では、2007年「憑神（つきがみ）」、2015年「振り子」などに出演。2016年「パラノイア」では主役を務める。

1998年フジテレビドラマ「Days」、関西テレビ「GTO」に準レギュラーで出演。1999年フジテレビ「リング～最終章～」、「らせん」で山村貞子役を演じた。2001年「女子アナ。」、｢救命病棟24時」でレギュラーを務める。2008年映画「ぐるりのこと」で第32回日本アカデミー賞最優秀主演女優賞、第51回ブルーリボン賞主演女優賞受賞。2009年映画「ゼロの焦点」で第33回日本アカデミー賞優秀助演女優賞を受賞。2016年映画「バースデーカード」、「幸福のアリバイ～Picture～」などに起用。特技は日本舞踊（師範）、バレエ、ジャズダンス、タップダンス。

1980年「WHO THE ROCKERS」でバンドデビュー。映画では1982年「爆裂都市BURST CITY」、1986年「時計・アデュー・リベール」に出演し、1987年「ちょうちん」で第30回ブルーリボン賞「主演男優賞」を受賞。その後、映画やテレビドラマ、舞台など数々の作品に出演。2016年には映画「超高速！参勤交代リターンズ」、主演舞台「Honganji」、WOWOWドラマ「沈まぬ太陽」に出演。音楽活動も再開し「TheROCKERS 『REAL IS BACK』公演」を開催。映画「幸福のアリバイ ～Picture～」では監督を務め、映画「イタズラなKiss THE MOVIE ハイスクール編」に出演。ミュージカル「プリシラ」ではバーナデット役を務めている。

2005年フジテレビドラマ「恋に落ちたら～僕の成功の秘密」や、'10年NHK連続テレビ小説「ゲゲゲの女房」などでヒロインを演じた。'12年フジテレビドラマ「早海さんと呼ばれる日」や、'16年フジテレビドラマ「早子先生、結婚するって本当ですか？」で主演を務める。3歳から始めたというクラシックピアノを特技とし、'07年にはシングル「Moonshine～月あかり」を、'15年にはアルバム「MusicBox」をリリースするなど音楽活動も精力的にこなす。

6歳の時、ホリプロ・インプルーブメント・アカデミー1期生で芸能界入り。2008年「ひぐらしのなく頃に」など多数の映画で主演を務める。2008年日本テレビ「ごくせん」、2015年TBS「アルジャーノンに花束を」など多数のドラマに出演し、2016年日本テレビ「ダマシバナシ」では主演を務める。2014年、農業系ROCKミュージカル「いただきます！～歌舞伎町伝説～」など舞台でも活躍中。

2002年7月にコントグループのフラミンゴを結成。堤幸彦監督の「はやぶさ/HAYABUSA」や、庵野秀明監督、樋口真嗣監督の「シン・ゴジラ」などの映画に出演し、俳優として活躍。映画「ミニオンズ」やCX 「めざましアニメ　紙兎ロペ」などに声の出演をするなど声優としても活躍。また、舞台「ロマンティックホテル」の脚本、演出も手掛けている。