1959年3月2日にオープン戦の巨人戦（甲子園）でプロ初登板（プロ初先発）を果たす。この日は初代「ミスタータイガース」藤村富美男の引退試合の日でもあった。当初は前日の日曜日に予定されていたが、雨天中止のため翌日の月曜日に順延となったにもかかわらず、3万人の観衆を集めて行われた。村山は2回を投げて打者7人と対戦し、被安打1の無失点に抑えた。開幕後は同年4月14日の国鉄戦（甲子園）で公式戦初登板（初先発）し、金田正一と投げ合って6回まで無安打に抑える好投で、2安打完封勝利のデビューであった。この試合を皮切りに先発ローテーション入りを果たし、18勝10敗・防御率1.19とエース級の活躍で最優秀防御率のタイトルを獲得。新人ながら沢村賞も受賞したが、新人王のタイトルは新人新記録となる31本塁打を放ち、新人ながら本塁打王のタイトルを獲得した桑田武（大洋）に譲った。新人で沢村賞を受賞しながら新人王に選ばれなかった投手は現在も村山一人だけである。同年は5月21日の巨人戦（甲子園）では9回14奪三振で巨人打線を無安打に抑えながら、三宅秀史と自身のエラーで2失点を喫し、世にも珍しい「ノーヒットアリラン」という記録を達成。6月25日の天覧試合では先発・小山正明をリリーフしたが、長嶋に左翼ポール際へのサヨナラ本塁打を打たれた。微妙な判定であったため、村山は生涯「あれはファウルだった」と言っている。以来、村山対長嶋のライバル関係ができあがった。村山は通算1500奪三振（1966年6月8日）、2000奪三振（1969年8月1日）をいずれも長嶋から狙って奪っている。村山対長嶋の対戦成績は302打数85安打、打率.281、21本塁打、39三振であった。長嶋へのこだわりは私生活にも現れ、初めて購入した自宅の電話番号の下四桁が「3279」、つまり「3（長嶋）に泣く」と読める語呂合わせになっており、強く変更を望んだエピソードがある。当時は電話を引くだけでも大変だった時代のため、しばらくはやむなくこの電話番号を使っていた。長嶋とは現役時代は口も利かなかったが、引退後は意気投合し、お互いに「チョーさん」「ムラさん」と呼び合う仲になった。2年目の1960年は4月に急性胃腸炎で倒れるなど調子が上向かず、8勝15敗と低調な成績に終わった。1961年は復調して24勝を挙げた。1962年には前年途中から指揮を執っていた藤本定義が正式な監督に就任し、村山・小山の両エースに一定の間隔を空けて登板させるローテーションを実施。同年は長嶋が3割を切るスランプなどもあり、終盤は大洋との一騎討ちとなる。村山も終盤には疲労の影響で打ち込まれたが、25勝とエースの名に恥じぬ活躍でリーグ優勝に貢献し、最優秀防御率を獲得。ベストナインも受賞する。さらに自身唯一のシーズンMVPも受賞した。村山は1962年シーズンを「フォークが完成した年」と振り返っている。東映との日本シリーズでは第2戦で8回一死まで一人の走者も出さずあわや完全試合の快投、シリーズタイ記録となる6試合登板など大車輪の活躍をしたものの、打線の援護に恵まれず敗退。同年は日米野球でも活躍し、11月17日のデトロイト・タイガース戦（後楽園）では野村克也とバッテリーを組み、8回2死までノーヒットノーランに抑える快投を披露。終盤に2安打を喫して快挙は逃したが、無四球9奪三振の完封勝利を収めた。日米野球で日本人投手が完封勝利を収めたのは史上初であった。この試合後、デトロイト・タイガースの監督が村山と握手し、興奮気味に「来年はうちに来ないか？ 君と契約したい」とまくし立て、英語が分からない村山は「サンキュー、サー」としか答えられず、あとから何と言われたか通訳に教えられ、苦笑したという。1963年は前年の代償から右手指の血行障害や肩痛を患って前半戦を棒に振る。8月11日の巨人戦では7回にリリーフ登板した際、カウント2-2から自信を持って投げた球を球審に「ボール」と判定され、村山は「どこ見てるんや! わしは一球一球、命かけて投げてるんや。」と激しく抗議した。暴言を吐いたとして退場処分となったが、この時は最初の打者である池沢義行と対戦中であり、「1人の打者との対戦が終わるまで投手は交代できない」という野球規則の例外記録となった。1964年は小山が東京オリオンズに移籍したため負担が増えると思われたが、新任の杉下茂コーチによって鍛えられたジーン・バッキーが小山の穴を補って余りある活躍をした。村山も復活を見せて22勝を挙げ、2度目のリーグ優勝に貢献。南海とのシリーズでは3連敗を喫して敗退。1965年はフリー打撃で辻佳紀を相手に投げた際に辻の打球が手首に直撃して骨折し、5月まで投げられないというアクシデントに見舞われる。17日の巨人戦から復帰すると、この年から三段投法（オーバー、スリークォーター、サイド）を駆使して25勝・防御率1.96で最多勝を獲得し、最多奪三振も達成。ベストナインと沢村賞も受賞した。1966年は24勝を挙げて、最多勝を獲得。最多奪三振も達成。ベストナインを受賞し、2年連続3度目の沢村賞も受賞。3度目の沢村賞受賞は史上3人目の快挙だった。1967年頃より右腕の血行障害に悩まされ、エースの座を江夏豊に譲る。1969年には一軍投手コーチ兼任となったが、シーズン途中から投手専任に戻る。1970年には選手兼任監督に就任。以前とは変わって回転の違うフォークを投げ分けて多投する技巧派投手として活躍し、同年7月7日には200勝達成。投手としては14勝3敗・防御率0.98で、最優秀防御率と最高勝率を獲得。監督としては勝率.611で首位・巨人と2ゲーム差の2位に入り、川上哲治監督をして「あっぱれ」と言わしめた。この年に記録した防御率0.98は、規定投球回数以上での戦後唯一の防御率0点台である。1972年のシーズン限りで現役引退、監督退任（この年は4月21日から金田正泰ヘッドコーチに監督代行を委ねた）。1973年3月21日の引退試合（阪神甲子園球場、巨人とのオープン戦）では7回に登板し、高田繁・末次利光・王貞治をフォークボールで三振に切って取る（長嶋は3日前の試合での死球と扁桃腺のため出場せずに東京に戻った）。すでに長くマウンドから離れた村山は引退試合前の数日、当時中学生だった岡田彰布（村山の知人から紹介された）と肩慣らしのキャッチボールをした。村山登板の際には江夏ら投手陣が作った騎馬に乗ってライト側ブルペンから登場、満場の拍手に迎えられた。村山は捕手の田淵幸一に「今日は、全部フォーク。あとはコースだけ」と告げ、田淵は3者三振の後「まだまだ現役でいけますよ。いまの球は最高でした」と声をかけた。マウンドに立った時点で村山の目は涙であふれ、田淵の言葉を聞いてさらに涙した。この試合では女優の浪花千栄子があいさつし、「村山はん、ほんまにあんた、ようおきばりやしたなぁ。おおきに、おおきに」とねぎらいの言葉を贈った。背番号11は阪神の永久欠番となった。村山は関西大学時代から11番を付けており、プロでもそれを貫いた形であった。実は村山の入団まで阪神の背番号11は着用した選手が故障を含め、何らかの形で不幸が襲っていたために「不吉な番号」と言われていた（詳細はこちらを参照）。このため、自身も阪神で背番号11を背負ったことがあり、かつ関西大学の先輩でもあった御園生崇男は「自分がつけていた背番号15を譲るから、絶対に11はつけるな」と説得したが、村山は「自分は昭和11年生まれなので、あくまでも11にこだわりたいんです」と頑としてはねつけている。そうした経緯もあってか、村山自身は永久欠番の栄誉を終生誇りにしていた。サインを求められ応じた際は必ず「阪神タイガース永久欠番」と添えていた。阪神・淡路大震災で被災したとき、世話になった人たちに腕時計を贈ったが、その時計の裏にも「阪神タイガース11 村山實」と刻まれていたという。通算222勝は大卒の投手としてはチームの先輩でもある若林忠志に次ぐ2位で、また阪神の投手勝利数の記録でも2位、通算防御率2.09もセ・リーグ記録である。通算WHIP0.95も日本記録であり、沢村賞3回受賞は歴代最多タイ記録であった。