충청북도 청주시 출신이다. 공무원이었던 아버지 아래 1남 3녀 막내아들로, 학창시절에는 장기자랑 한 번 나가본 적 없는 조용한 학생이었다고 한다. 너무 조용한 성격이라 배우가 된 걸 다들 놀라워한다고.

청주대학교 1학년 때 학교를 중퇴하고 서울로 상경했다. 가고 싶었던 대학에 가지 못하고 성적에 맞춰 간 학교라 다닐 의욕도 나지 않았다고. 공부 말고 다른 것을 하고 싶어 부모님의 반대에도 꿈을 찾아 무작정 상경해 누나나 친구의 집을 전전하며 생활비를 벌기 위해 막노동, 커피숍 등 다양한 아르바이트를 했다. 다른 사람에게 신세지는 것이 미안해 한때는 못먹어서 병이 날 정도였다고. 경제적으로 어려웠던지라 2002 월드컵도 집에서 혼자 볼 정도로 사람을 잘 만나지 않았다고 한다.

그러던 중 연기에 흥미를 느껴 그동안 모은 돈으로 연기학원에 등록하고 혼자 프로필을 만들어 잡지사와 에이전시를 찾아가 돌리다 2003년 파나소닉 광고로 첫 데뷔했다. 이에 대해 최근 에스콰이어지와의 인터뷰에서 데뷔하기 전에 꽤 힘든 시간을 보냈던 것 같다는 에디터의 질문에 어릴 때 잘 몰라서 그렇게 말한 것 같다고. 스물한 살 때 대학교 중퇴하고 서울 올라와서 혼자 뭘 해보려고 했으니, 학교 안 다니면 당연히 하는 수준의 고생이었는데 신인 때 멋모르고 과장한 부분이 있어서 부끄럽고 진짜 고생한 동료 배우들한테 미안하다고 말했다. 잡지사도 상상하는 것처럼 몇십 곳 다니고 그랬던 게 아니라 두세 군데 보냈는데 바로 연락이 와서 광고로 연결이 되었고, 광고 하나 찍으니까 다음 광고로 연결되고 그렇게 한 해에 광고를 9개 찍기도 했다고 한다.

그 후 여러 광고에 나오면서 대학로 연극, 단편영화와 단막극으로 연기활동을 시작했다. 본격적인 연기자 데뷔는 2006년 '연애시대'라고 할 수 있다. 그 후 '스마일 어게인', '썸데이', '에어시티'를 거쳐 2008년 '비포 앤 애프터 성형외과', '강적들', 2009년 '유리의 성' 등에서 주연을 맡았다. 비록 이들 작품이 주목을 받진 못했지만 안정적인 주연급 배우로 떠올랐다.

2012년 tvN 드라마 '로맨스가 필요해 2' 같은 경우 특징 있는 연기로 매니아층의 사랑을 받았다. 하지만 이때만 해도. 대중들에게 크게 각인되는 배우는 아니었다. 허나 2013년 원탑 주연을 맡은 드라마 '나인: 아홉 번의 시간여행'이 수많은 나인 폐인, 박선우 폐인을 양산하면서 인기를 끌었고, 이 인기를 바탕으로 2014년 영화 '수상한 그녀', 영화 '표적', 드라마 '삼총사', 2015년 드라마 '너를 사랑한 시간', 영화 '뷰티 인사이드', 2016년 드라마 '굿바이 미스터 블랙', 영화 '시간이탈자'에 출연하며 대세로 떠올랐다. 2015년 영화 '뷰티 인사이드'에서 이진욱이 등장하는 장면은 극장 안에 환호성이 터져 화제가 되기도.

하술할 사건에 의해 활동을 중단했다가 독립영화 '호랑이 보다 무서운 겨울 손님'이 2017년 부산국제영화제에서 개봉하고 2018년 드라마 '리턴'에 출연하며 활동을 재개했다. 같은 해 '보이스' 시리즈의 차기 남주인공인 도강우 역에 캐스팅되어 2019년까지 2시즌 연속으로 출연했다. '보이스 2'는 당시 OCN 드라마 역대 최고 시청률을 경신하고 이어서 '보이스 3' 까지 많은 인기를 끌며 사랑을 받으면서 '로맨스가 필요해 2'와 '나인: 아홉 번의 시간여행'에 또 하나의 대표작을 추가하게 되었다. '보이스 3' 촬영 종료 후 넷플릭스 오리지널 시리즈 '스위트홈'에 캐스팅되어 편상욱 역으로 출연하였다. 복귀 후 작품이 모두 흥하고 연기 스펙트럼 역시 넓어졌다는 호평을 받으며 승승장구 중. 특히 '스위트홈'은 넷플릭스 한국 드라마 최초로 미국 드라마 TOP10 순위권 내에 진입하며 미국 드라마 3위, 월드 순위 3위까지 오르는 등 첫 공개 4주 동안 전 세계 2,200만 유료 구독 가구가 시청하며 히트를 쳤다.

이에 힘입어 2021년 tvN 기대작 '불가살'에 타이틀롤 불가살 단활로 캐스팅, 2014년 '삼총사' 이후로 오랜만에 tvN에 복귀했다.'불가살'이 그렇게 망작일줄은... 드라마의 평은 안 좋았음에도 이진욱의 절절한 연기는 시청자들을 울렸고 호평이 쏟아졌다. 캐릭터 반응도 좋아 라코이 드라마 출연자 순위 1위로 마무리하였다. 쉽게 몰입할 수 없는 스토리 속에서 열연을 펼친 게 대단. 차기작으로 로맨스 드라마 '결혼백서'를 이미 촬영 중이고, '스위트홈 2' 제작을 준비 중이라는 소식도 들려와서 기대해 봄직하다.

결국 '스위트홈 2' & '스위트홈 3' 동시 제작이 확정됐다. 2022년 방영된 '결혼백서'는 결혼 준비 과정에서 벌어지는 갈등 상황을 유발하기 위해 억지스러운 전개가 다소 있었지만 전반적으로 유쾌한 분위기에 배우들 간 케미도 좋았고 선남선녀 남여주 비주얼이 워낙 눈호강이었다. 30분 내외의 미드폼 형식 카카오TV 에피소드 12부작 드라마로 넷플릭스 한국 콘텐츠 4위까지 오르는 등 선전했다.

2023년 넷플릭스 '이두나!'에서의 등장씬이 화제가 되었고 특별출연이지만 깊은 인상을 남겼다. 이후 '스위트홈 2', 2024년 '스위트홈 3'가 공개되었다. '나의 해리에게'에서 정현오 역으로 출연하였다. 대체적으로 스토리에는 불호평이 많았으나 배우들의 연기는 호평을 받았다.