2011年、新人で唯一開幕一軍入りを果たすと、4月23日の対北海道日本ハムファイターズ戦（ほっともっとフィールド神戸）で同点の9回表に登板。1イニングを2奪三振を含む三者凡退で凌ぐと、その裏にチームがサヨナラ勝利を収めたことによってプロ初勝利を挙げた。しかし6月に右肘に痛みを感じて登録抹消となり、3ヶ月の治療を経て二軍の最終戦で復活した。2012年、監督の星野仙一のアドバイスもあり、肘の負担の少ない先発に転向する。二軍で4試合に登板し、25回2/3を投げて1勝2敗、防御率3.16の成績を残し、一軍昇格。4月26日のオリックス・バファローズ戦でプロ初先発。5月13日の対オリックス戦でシーズン初勝利。5月28日の東京ヤクルトスワローズ戦で交流戦初先発、プロ初完投勝利を挙げた。9月は先発ローテーションの先頭となり、エース級とばかりと当たったため4戦全敗となったが、シーズン最後まで先発ローテーションの座を守って規定投球回に到達し、8勝10敗、防御率3.08の成績を残した。2013年、前年に引き続き先発ローテーションに定着し、5月上旬までに4勝を挙げるが、リーグワーストの被本塁打を記録するなど調子は良くなく、5月23日の対読売ジャイアンツ（巨人）戦では1回6失点で降板し、翌日に一軍登録抹消。7月28日に一軍登録。10月4日の対埼玉西武ライオンズ戦で右肘に違和感を覚えて2回1/3（3失点）で降板した翌日に再度一軍登録抹消。2週間後の10月19日に一軍復帰し、同日の千葉ロッテマリーンズとのクライマックスシリーズファイナルステージの第3戦（クリネックススタジアム宮城）に先発登板。被安打4、三塁を踏ませない好投で「プロ入り初完封」勝利を収めた。巨人との日本シリーズでは、第3戦（東京ドーム）で先発登板。6回裏、阿部慎之助の投手強襲安打の打球を足首に受けて降板したものの、5回2/3をなげて4安打無四球無失点の内容で日本シリーズ初勝利を挙げる。その後、3勝3敗で迎えた第7戦（Kスタ宮城）でも先発し、6回無失点に抑えて今シリーズ2勝目。チームは球団初の日本一となり、美馬がMVPに選出。10投球回以上（11イニング2/3）を投げて無失点は日本シリーズ史上5人目、初出場投手としては史上2人目2014年、1月10日には、出身地の取手市から、市特別功労表彰を授与。同月12日には、共通の知人による紹介で3年間交際してきたサントス・アンナとの結婚を発表した。前年の日本シリーズMVPや結婚で更なる活躍が期待されたが、2勝9敗に低迷した。2015年、なかなか好投しても勝ち星がつかず、6月3日の東京ヤクルトスワローズ戦でようやくシーズン初勝利を記録。8月2日のオリックス戦で3勝目をマークするも、右肘の違和感を訴え5回を投げ終え降板。その後、右肘の関節炎と診断され、9月1日に右肘のクリーニング手術を行った。これで肘の手術は学生時代を含めて4度目となる。　2016年、開幕5戦目のロッテ戦に先発。僅か96球で散発3安打に抑え、シーズン初登板をプロ入り後初の完封で飾った（なお、前述のとおり2013年クライマックスシリーズでの完封勝ちがあるので、それを含めるとプロ入り2度目）。96球は球団史上最少投球数での完封で、今季両リーグ通して最初の完投・完封勝利投手となった。その後も、シーズンを通して先発ローテーションを守り4年ぶりに規定投球回に到達して自己最多の9勝をマークしたが、好不調の波が激しく防御率は規定投球回に到達した投手の中でワースト2位の4.30だった。2017年、前年まで4年連続で開幕投手を務めてきた則本が開幕前のワールド・ベースボール・クラシックに日本代表として出場したことや、則本に代わって開幕投手に内定していた岸孝之が開幕直前にインフルエンザB型への感染で登板を回避したことから、3月31日の対オリックス戦（京セラドーム）で初めて開幕投手を務めた。球団では岩隈久志、一場靖弘、田中将大、則本昂大に次ぐ歴代5人目の開幕投手であった。結果は6回3失点で勝敗は付かなかったが、次に登板した4月8日の対ロッテ戦（ZOZOマリンスタジアム）でシーズン初勝利を挙げた。それを皮切りに、5月13日の対ソフトバンク戦（熊本）でシーズン初黒星を喫するまで、先発登板5試合で4勝をマークした。楽天の投手が一軍公式戦の開幕投手を務めたシーズンに開幕から4連勝を記録した事例は、球団史上初めてであった。以降の先発登板試合でも、6月30日の公式戦終了時点でNPB全12球団の規定投球回到達投手としてただ1人1点台の防御率（1.79）を記録するなど、おおむね好調を維持した。7月1日の対ソフトバンク戦（Koboパーク宮城）ではプロ入り後自己ワーストの10失点を喫して6回途中で降板したが、公式戦前半戦での活躍を背景に、オールスターゲームにパシフィック・リーグ（パ・リーグ）の監督推薦選手として初めて出場。7月15日の第2戦（ZOZOマリン）で、3番手投手として初登板・初勝利を記録した。8月5日の対ロッテ戦で9勝目を挙げてからは、先発した4試合すべてで勝ち星を挙げることができず足踏み状態が続いていたが、31歳の誕生日に当たる9月19日の対日本ハム戦（いずれもKoboパーク宮城）で自身初のシーズン10勝目を無四球完封勝利で記録した。最終的に、11勝8敗、防御率3.26の好成績を残し、チームのクライマックスシリーズ進出に貢献した。チームのレギュラーシーズン3位で臨んだクライマックスシリーズでは、西武とのファーストステージ第3戦（10月16日）に先発登板し勝敗は付かなかったが4回2／3を1失点に抑えてチームを4年振りのファイナルステージ進出に導いた。ソフトバンクとのファイナルステージでは第5戦（10月22日）で先発を任されたが、4回途中5失点という内容で敗戦投手になったため、チームは日本シリーズへの進出を逃したが、レギュラーシーズンでの活躍を評価され、前年から3,000万円増の推定年俸8,000万円という条件で契約を更改するとともに、背番号を15に変更することを発表した。2018年、3月30日にロッテとの開幕カード第2戦（ZOZOマリンスタジアム）で先発を任されたが、3回途中5失点で降板するなど不調だった。さらに打線との相性の悪さも重なった影響で、シーズン初勝利は7回無失点と好投した6月17日の対阪神タイガース戦まで持ち越された。7月17日の対ロッテ戦（いずれも楽天生命パーク）で2勝目を挙げたものの、後に右肘回内屈筋付着部炎を発症。一時は、出場選手登録を抹消されながら一軍に帯同しながら調整を続けた。8月2日の対オリックス戦（京セラドーム）に再登録され5回2失点と試合をつくったものの、試合後右肘の別の個所に張りが見られたことから、再度登録を抹消。8月16日に右肘後方インピンジメントへの鏡視下手術を受けたため、以降のシーズンはリハビリに専念した。結局、一軍公式戦には通算14試合の登板で、2勝6敗、防御率4.56という成績にとどまった。2019年、先発陣から則本昂大と岸が相次いで戦線を離脱するチーム状況の中、開幕から先発ローテーションの一角を維持。4月20日の対オリックス戦では、シーズン2勝目を挙げるとともに、チームの一軍公式戦通算900勝達成に貢献した。6月2日の対ソフトバンク戦（ヤフオクドーム）では6回1死まで一人の走者も許さない好投を見せた。開幕後にやや打ち込まれていたことから防御率は4点台と安定感を欠いたものの前半を終えてチームトップの5勝を挙げたこと、則本や岸が離脱している中で唯一開幕から先発ローテーションの中心として活躍してきたことを評価され、オールスターゲームに、パ・リーグの監督推薦選手として2年振りに出場した。チームのレギュラーシーズン86試合目に当たる7月19日の対ソフトバンク戦（いずれも楽天生命パーク）では、8回まで一人の走者も許さない好投を見せていたが、9回に先頭打者・明石健志への四球で完全試合、続く代打・栗原陵矢の左前安打でノーヒットノーラン（いずれも楽天球団および令和時代のNPB一軍公式戦における史上初の記録）達成の可能性が消滅した。2死三塁から上林誠知に適時三塁打を許したことで完封も逃した。それでも2安打1与四球1失点という内容で9回を投げ切った末に、このシーズンではチームで初めての完投勝利を記録した。防御率は4.01とやや不安定だったものの、シーズンを通して先発ローテーションを守りきり、チーム2位の8勝を挙げてチームを2年ぶりのクライマックスシリーズ進出に貢献した。また、自身2年ぶりかつチームで唯一規定投球回に到達するなど復活のシーズンとなった。