2002年、春季キャンプで一軍に帯同。開幕一軍こそ逃したものの、4月4日の広島東洋カープ戦（明治神宮野球場）で先発。6回2/3を無失点で抑えて初登板を初勝利で飾った。この年は新人ながらローテーションを守り続け、12勝をマークし、新人王を受賞した（秋田県出身のプロ野球選手としては初受賞）。2003年、年間を通してローテーションを守り抜き、12勝をマークして優秀JCB・MEP賞を受賞した。また、7月13日にプロ入り後初の地元（秋田県立野球場）で凱旋登板し、勝利を収めて故郷に錦を飾った。オフに青山学院大学で同級生だった元客室乗務員と結婚した。2004年、春季キャンプ中に発症した左肘痛の影響で開幕は二軍でスタート。4月半ばに一軍に昇格。昇格後はローテーションを守り抜き、11勝をマーク。オフに長男が誕生した。2005年、オフに左足を疲労骨折したが、開幕には間に合わせる。初の開幕投手を務め、7回1失点で勝利を収める。6月には交流戦の休養日の影響で自身初のシーズン中の二軍落ちを経験。最終的には10勝をマークし、入団から4年連続で二桁勝利（球団では佐藤進・西村竜次に次いで3人目）を記録した。2006年、2年連続で開幕投手を務め、6回2失点で勝利投手となる。7月、監督推薦でオールスターゲームに初出場。1試合目の3番手として登板し、2回を1奪三振の無失点に抑えた。チームのローテーション投手が安定しない中、唯一ローテーションを守り10勝をマークする。ヤクルトでは球団史上初、セ・リーグでは堀内恒夫・江夏豊に次ぐ3人目の、入団から5年連続の2桁勝利を達成した。2007年、シーズン序盤は不調に苦しみ、中継ぎへ配置転換される。5月に二軍に降格。再び昇格するものの6月に再度二軍に降格した。シーズン中盤からは復調し、7点台だった防御率を4点台まで改善させた。9月13日の読売ジャイアンツ戦（神宮）でプロ初完封を果たす。成績は序盤の大不振がたたり、入団後初めて規定投球回に到達せず、自己最低の4勝に終わった。2008年、投手キャプテンに就任。シュートを習得してシーズンに臨んだ。自身3度目の開幕投手を務め、6回2/3を2失点で勝利投手となった。4月までに5勝、防御率1点台をマークし、月間MVPを受賞。交流戦では12球団1位の防御率1.18という好成績を残した。8月には監督推薦でオールスターゲームに2度目の出場。第2戦に2番手として登板し、見事勝利投手に輝いた。この年は、自己最多のイニング数を投げ、前年の不振を払拭する活躍を見せたが、打線の援護から見放された為に勝ち星は12勝にとどまった。10月12日の横浜ベイスターズ戦（神宮）においてシーズン初のリリーフ登板。1/3を無失点に抑え広島のコルビー・ルイスを0.003差で逆転して初タイトルとなる最優秀防御率を獲得する。またゴールデングラブ賞を受賞した（投手部門での受賞は球団初）。10月に次男が誕生。2009年、選手会長を務める。2年連続の開幕投手になったが、4回5失点でKOされ敗戦投手になったが、次の中日ドラゴンズ戦でシーズン初勝利を挙げる。前半戦は不調だったが、後半戦から調子を取り戻し、館山昌平と共にヤクルト投手陣の屋台骨を支えた。クライマックスシリーズ出場を賭けた10月9日の阪神タイガース戦では7回1/3を自責点0で勝ち投手となり、チーム初のクライマックスシリーズ出場に貢献した。この年は自己最多の13勝を記録。勝率はプロ入り8年目で初めて6割を超えた。2010年、3年連続の開幕投手を務めたが、調子が上がらず開幕から6連敗、防御率は4点台と安定感を欠いていた。チームの成績不振の責任をとって高田繁監督が休養した直後の試合でようやく初勝利を挙げるものの、6月終了の時点では2勝8敗と散々な成績だった。しかし7月以降に急激に盛り返す。7月には自身2度目の月間MVPに輝き、無傷の11連勝を記録するなど抜群の安定感を誇った。最終的には13勝8敗、防御率3.53と前年とほぼ同じ成績まで持ち直してシーズンを終えた。2011年、4年連続の開幕投手を務めた。5月14日の横浜ベイスターズ戦（横浜スタジアム）で史上128人目の通算100勝を達成した（球団では通算5人目）。10年目の100勝達成は球団としては金田正一に次ぐスピード記録だった。この年は勝ち星が思うように伸びなかったが、最終的に10勝をマーク、4年連続の二桁勝利を達成した。2012年、5年連続の開幕投手を務め、開幕戦の巨人戦（東京ドーム）で9回1死まで巨人打線を無安打に抑えた。史上初の開幕戦ノーヒットノーランは果たせなかったが、トニー・バーネットとの完封リレーで4年ぶりに開幕戦を勝利で飾り、球団新記録である開幕戦4勝目を挙げた。8月21日の巨人戦（神宮）で谷佳知から史上132人目の通算1000奪三振を達成した。しかしシーズン通しての防御率は3点台後半にとどまり、二桁勝利も途切れた。2013年、新球フォークを習得して臨んだシーズン、この年はチームの低迷に沿うように自身の勝利数も伸び悩む。自身のシーズン最終登板で11度目となる規定投球回数に到達し、前年度より成績は持ち直したものの、不運な失点や途中離脱も重なり自身の役割を全うできないシーズンとなった。オフには新たに3年契約（年俸1億8000万円・3年契約中2年目経過で契約の見直し）を結んだ。2014年、開幕から絶不調で、3,4月の月間防御率は7.24と打ちこまれる登板が続いた。しかし、5月7日の広島戦(神宮)で自身2年ぶりの完封で今季初勝利をあげると、ここから順調に調子を上げていき、6月11日の東北楽天ゴールデンイーグルス戦で、山田哲人の先頭打者ホームランの1点を守り切り今季2度目の完封勝利を達成。1回表の先頭打者本塁打による1-0の勝利は球団では1959年の国鉄時代以来55年ぶりと記録的快挙となった。最終的にはチーム唯一ローテーションを1年間守り切り、唯一規定投球回に到達。両リーグ1位の援護率5.86と強力打線にも恵まれ、自身3年ぶり10度目の二桁勝利を達成し、6勝に終わった昨年から巻き返しを果たすシーズンとなった。ただし、四球は自己最多、昨年より防御率は悪化し規定投球回に到達したなかではセ・リーグ最下位に陥るなど、課題も残るシーズンとなった。2015年、シーズン序盤は調子が上がらず登録抹消された期間もあったが、8月25日の登板以降は6連勝を記録し、チームの14年振りのリーグ優勝に貢献した。9月の成績は、5戦5勝防御率1.21と抜群の安定感でチームを牽引し、この活躍が評価され自身3度目の月間MVPを受賞した。9月10日の明治神宮球場での対DeNA戦で6回を1失点に抑え現役最多11度目の二桁勝利を達成。9月27日の2位巨人との直接対決では中4日で登板し、体調不良に見舞われながらも5回を1失点に抑え、更には決勝点となる適時打を打っており、9月の活躍の象徴となった。また、この試合で自身最多タイとなる13勝目を記録し、規定投球回数にも到達した。福岡ソフトバンクホークスとの日本シリーズでは2度先発投手を務めたが第一戦で4回3失点、第五戦で5回途中4失点でいずれも負け投手でチームも1勝4敗で敗退。12月7日の契約更改では約2000万円増の年俸2億円でサインした。2012、2013年に並ぶ自己最高額となった。2016年、左ふくらはぎに不安をかかえ迎えたシーズン序盤は不安定な投球が多く、5月18日の広島東洋カープ戦後の5月22日に左ふくらはぎ痛で登録抹消。6月1日の北海道日本ハムファイターズ戦で復帰するが、3回4失点と怪我の影響を隠しきれず再び登録抹消。7月18日の横浜DeNAベイスターズ戦で復帰し、7回1失点で勝ち投手となりその後は比較的安定した投球を重ねる。8月27日の阪神タイガース戦で9回途中2失点で史上48人目の通算150勝を達成（球団では史上3人目）。しかし怪我での長期離脱が響き3年ぶりに2桁勝利に届かず、また2007年以来2度目の規定投球回に到達しなかった。2017年、2012年以来6年ぶり8度目の開幕投手を務め、DeNA相手に6回2失点で勝利を飾った。ただ、シーズンでは防御率5.11、4勝14敗でリーグ最多敗戦投手となるなど、苦しい1年となった。2018年、3月31日の開幕第二戦の横浜戦(横浜スタジアム)に先発し、6回2/3を3失点で今季初勝利を挙げ、自身の連敗を11で止めた。6月12日の西武戦(埼玉県営大宮公園野球場)で通算160勝目を挙げ、最終的に7勝6敗と3年ぶりに勝ち越した。2019年、開幕ローテーション入りし、5月12日の巨人戦でシーズン初勝利。8月14日の横浜戦では8回に伊藤裕季也に本塁打を打たれるまでベイスターズ打線を無安打に抑え、8回1失点で6勝目を挙げる。9月4日の巨人戦では6回1失点で通算170勝目を記録するなど比較的好調で、チームトップの8勝を挙げた。規定投球回にこそ到達しなかったが、WHIP1.15は2008年に次ぐ自身2番目の好成績だった。