2006년 신인드래프트 2차 1라운드 전체 2순위로 한화 이글스에 지명되어 신인왕 & MVP & 골든 글러브를 동시 수상 및 KBO 사상 최초의 루키 시즌 트리플 크라운을 달성하였고, 이후로도 한화 이글스 구단 역사상 가장 암울한 시기에 팀의 자존심이자 국내 최고의 투수로 리그를 지배하였다. 국가대표팀에서는 부동의 1선발로 활약하며 올림픽 야구 금메달에 이바지하였다. 2012시즌이 끝난 후, 본인의 등 번호 99번을 한화 이글스의 임시결번으로 남기고 7년간의 국내 커리어를 뒤로한 채 국내 최초로 포스팅 시스템을 통한 미국 메이저 리그 진출을 선언하여 로스앤젤레스 다저스와 6년 총액 6,173만 달러라는 전례 없는 계약으로 메이저 리그에 진출하였다. 2013년부터 로스앤젤레스 다저스의 소속으로 현역 최고의 투수들인 클레이튼 커쇼, 잭 그레인키에 이어 팀의 3선발로 활약했다. 2014년까지 활약을 이어갔으나 커리어 초반부터 이어온 혹사의 여파로 데드암 선고를 받고 내리막길로 접어든 듯했다. 하지만 1.7%에 불과한 실질 복귀율을 이겨내고 2017년 기적적으로 재기에 성공, 2019년에는 하락세를 맞이한 커쇼를 밀어내고 팀의 1선발을 차지하며 아시아 선수로서는 2번째로 올스타전 선발투수로 등판하였고 아시아 선수로서는 최초로 ERA 타이틀 홀더가 되며 커리어 하이 시즌을 기록하였다. 2019년 12월 23일 토론토 블루제이스와 4년 8,000만 달러라는 대형 계약을 따내며 메이저 리그 아시아 선수 누적 연봉 5위, 대한민국 선수 누적 연봉 2위를 기록하며 커리어를 이어가는 중이다. 2020년에도 팀을 옮긴 후 비록 포스트시즌에서의 활약은 아쉬웠지만 준수한 정규시즌 활약을 바탕으로 2년 연속 All-MLB 세컨드 팀에 선정됐고, 아시아 출신 선수 최초로 최고의 좌완투수에게 주어지는 워렌 스판 상을 수상하였다. 2021년 한국인 최초 3시즌 연속으로 개막전에 등판했다. 비록 승은 챙기지 못했지만 토론토가 경기를 이기게 되어 류현진이 등판한 개막전 3번 모두 소속팀이 승리하게 되었다.