2001年，9歲的染谷將太通過出演漫改電影《STACY》，實現大熒幕出道 ?。
2008年，首次擔當電影主演，與秋吉久美子、香川京子等合作，飾演短篇劇情電影《蒲公英》中ショウタ一角 ?。
2009年，搭檔川上未映子、仲里依紗等人，主演劇情片《潘多拉的盒子》，片中飾演ひばり，系染谷將太首次擔當長篇電影主角 ?。
2010年3月，主演劇情電影《迷い家》，片中飾演一位逃離了所有在山中行走的少年 ?。
2011年1月，與大政絢共同主演愛情電影《說謊的男孩與壞掉的女孩》，片中飾演經歷過綁架事件而受到精神創傷的男孩阿道 ?，染谷將太憑借該影片獲得第66屆每日電影獎最佳新人獎 ?；9月，與二階堂富美聯袂主演劇情電影《庸才》，片中飾演遭遇不幸的中學生住田祐一，染谷將太憑借該影片獲得第68屆威尼斯國際電影節最佳新人獎 ?和第三屆TAMA電影獎最佳新人獎 ?。
2012年1月21日，搭檔吉岡秀隆、堀北真希等，出演劇情電影《永遠的三丁目的夕陽之1964》 ?；1月28日，搭檔仲間由紀惠出演的以“龍”為神靈崇拜的古代琉球王國為背景的古裝電影《暴風雨3D》在日本上映，染谷將太在片中飾演男主角尚泰王 ?；2月，主演根據長篇群像小說改編的劇情電影《沒有人活著嗎?》，片中飾演ケイスケ ?；5月，與石原里美、瀨戶康史合作，出演恐怖電影《貞子3D》，片中飾演安藤孝則的同事榎木俊介 ?；9月，搭檔岡田準一、佐藤隆太等，參演古裝電影《天地明察》，飾演幕府將軍德川家綱 ?；11月，搭檔伊藤英明、二階堂富美等，出演犯罪驚悚片《惡之教典》，片中飾演喜歡憐花的同班男生早水圭介 ?。
2013年2月9日，與生田斗真、江口洋介、松雪泰子等搭檔，出演推理電影《腦男》，片中飾演殺人兇手志村昭文 ?；2月23，搭檔秋吉久美子等，主演劇情電影《幕間休息》 ?；2月27日，憑借在電影《庸才》、《惡之教典》中的表現獲得了第38屆日本電影金像獎優秀新人演員獎 ?；3月，主演日本電影教育機構“映畫美學校”出品的劇情電影《ただいま、ジャクリーン》 ?；12月，突破演員身份，變身導演和編劇，執導劇情電影《Similar But Different》 ?；同年，獲得日本黃金飛翔獎新人獎 ?。
2014年5月，在勵志喜劇電影《哪啊哪啊神去村》中飾演考學失敗后到偏僻山村接受林業培訓課程的都市男青年公平野勇氣 ?；8月，搭檔黑川芽以，主演改編自同名小說的劇情電影《蒲生家的路邊餐館》 ?；10月，參演以北海道為舞臺的溫情片《葡萄的眼淚》，片中飾演大力支持哥哥事業的弟弟ロク ?；11月，與福士蒼汰、山崎纮菜、神木隆之介等人合作，在恐怖電影《誠如神之所說》中飾演主人公高畑的同班同學佐竹 ?；11月29日，由染谷將太主演的、根據漫畫改編的真人電影《寄生獸》在日本上映，片中染谷將太飾演右臂被寄生蟲寄生的主人公新一 ?。
2015年1月，與前田敦子共同主演限制級劇情電影《再見歌舞伎町》，片中飾演歌舞伎町情人酒店老板徹 ?，染谷將太憑借該影片獲得第14屆紐約亞洲電影節最佳新人獎 ?；7月，為動畫電影《怪物之子》中青年時期的九太配音 ?；9月，主演的漫改電影《我們都是超能力者》在日本上映，片中染谷將太飾演了一位偶然發現自己擁有超能力的平凡高中生嘉郎 ?；同年，執導劇情電影 《清澄》，并與川瀨陽太共同擔當該片主演 ?。
2016年1月30日，與安田顯、麻生久美子、新井浩文等合作，出演展現人物群相的劇情片《演員龜岡拓次》，片中飾演獨立電影導演橫田 ?；11月，參演由松山研一主演的講述天才將棋松山圣短暫傳奇一生作品《圣之青春》，飾演弟子江川 ?；12月，搭檔岡田準一、綾瀨遙等，出演根據同名長篇小說改編的劇情片《被稱作海賊的男人》，片中飾演國岡鐵造的工作伙伴長谷部喜雄 ?。
2017年，在漫改電影《3月的獅子：前篇》、《3月的獅子：后篇》中飾演主人公桐山零的對手二海棠晴信。在片中，染谷將太通過特效化妝再現了二海棠晴信的胖墩體型 ?。
2018年，參演的中日合拍電影《妖貓傳》上映 ?。在漫改真人版《圣哥傳》出演佛祖 ?。出演戀愛小說《平行世界·愛情故事》改編真人電影 ?。
2019年，出演土橋章宏小說改編電影《馬拉松武士》 ?。執導制作特別短篇電影《還在這里》 ?。主演電影《最初的晚餐》將于11月1日上映 ?。
2020年1月，參演恐怖電影《白井》上映 ?。參演三池崇史執導電影《初戀》 ?；1月19日，參演的大河劇《麒麟來了》播出 ?。同年參演電影《滑走路》 ?。
2021年2月12日，出演由陳思誠自編自導的電影《唐人街探案3》上映 ?。
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