2002年12月1日进入杰尼斯事务所。2004年3月被选入（mint）作为成员，同年加入J.J.Express也在同年退出。2005年被选入（A.B.C.）弟组（A.B.C.Jr.）成为第二期团员。2005年夏天Kis-My-Ft2组成，并选入弟组。2008年3月1日从日出高校毕业。

2009年3月28日出演电视剧《极道鲜师3毕业特别篇》在日本电视台播出，同年7月11日出演《极道鲜师电影版》上映。

2011年4月18日出演由香取慎吾主演的富士台月九剧《请一定要幸福》。同年7月16日，首次担任主演的日剧《原来是美男啊》在TBS台播出，8月10日该剧主题曲《everybodygo》作为Kis-My-Ft2的首张单曲CD出道。9月23日《原来是美男啊》原声大碟在公信榜专辑排行上获得冠军，这张CD发售首周就卖出15万张。

2012年1月12日在山下智久主演的电视剧《最完美的人生终点》中客串演出。4月15日出演中居正广主演的TBS日九推理剧《ATARU》。5月参加朝日电视台综艺节目《黄金传说》，挑战“一个月一万日元生活”环节，成为杰尼斯偶像首位挑战者，历经困难最终获胜。9月3日首次参演由龟梨和也主演的舞台剧《DREAMBOYS》。10月13日出演的《电影版私立马鹿兰高校》上映。12月27日再次参战《黄金传说》，挑战3天2夜无人岛生活特别企划。

2013年1月11日初次单独主演朝日电视台的时代穿越剧《信长的主厨》。7月18日主演改编自同名漫画的《歌舞伎华之恋》在TBS台播出。同年9月初次担任舞台剧座长出演《DREAMBOYSJET》。9月14日出演的电影版《ATARU-THEFIRSTLOVE&THELASTKILL》上映。

2014年4月5日，主演的世界奇妙物语2014年春季特别篇之《二ートな彼とキュートな彼女》在富士台播出。7月10日，主演的《信长的主厨2》在朝日台播出，并从原来的深夜档升级进入黄金档。9月4日担任座长出演舞台剧《DREAMBOYS》。同年9月个人代言的第一支广告《NatureLab"LAVONSLELINGE"衣物柔软剂》在各大电视台播出。

2015年1月6日特别出演由草彅刚主演的富士冬季火十剧《钱的战争》。在8月7日发行的女性时尚杂志《anan》的“SEX特辑号”中首次挑战全裸上镜，一改往日可爱形象，荷尔蒙全开，大秀性感身材和表情。之后主演的《毛骨悚然撞鬼经》2015夏季特别篇《如影随形》于8月29日在富士电视台播出。9月3日担任座长出演舞台剧《DREAMBOYS》并迎来该舞台剧公演500回纪念。10月15日主演读卖电视台新剧《青春侦探晴也》，在剧中他首次挑战大学生侦探一角。11月21日首次担当电影主演，携手西内玛利亚出演人气作家有川浩原作小说改编的真人电影《雨树之国》。

2016年为好莱坞电影《神战：权力之眼》担任日语配音，这也是他首次挑战配音工作。9月继续担任座长出演舞台剧《DREAMBOYS》。同月和团员宫田俊哉合作为《LINEポコポコ》热门手游代言。12月主演杰尼斯全新舞台剧《JOHNNYS'ALLSTARSISLAND》。

2017年4月出演由藤原龙也、户田惠梨香主演的TBS金十电视剧《反转》。10月主演改编自同名漫画的侦探悬疑剧《重要参考人侦探》在朝日台金11档播出。

2018年3月玉森裕太主演电影《平行世界·爱情故事》，女主由吉冈里帆饰演，与饰演主人公好友的染谷将太一起上演三角恋。

2019年10月，参演的由木村拓哉主演的电视剧《GrandMaison东京》开播，在剧中扮演主人公尾花夏树的徒弟平古祥平。

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将纯爱故事和历史悠久的歌舞伎相融合，是需要拥有强大力量和华丽气质的，而可以做到并取得成功的非玉森君莫属。玉森确实是一块璞玉，但还是需要时间去积累经验。