2010年1月19日に球団から登録名を「雄星」とすることが発表された。このため背ネームが「KIKUCHI」のユニフォームは入団発表で着用しただけで、キャンプからは背ネームも「YUSEI」となった。2月16日には入学願書を提出していた東北福祉大学総合福祉学部通信教育部社会福祉学科に合格。これは、野球選手を引退後もスムーズに働けるようにとの考えからである。また、プロ入り後に大学に合格した例は極めて珍しく、プロ野球選手としての生活の傍ら、大学通信教育で教育職員免許状を目指すとしていた。同年の新人としては非常に注目され、かつ契約金等も高かったことから、その契約金を元手に「ぜひ後輩にも使ってほしい」との心意気で、3月24日には420万円の酸素カプセルを購入し、寮の自室に設置した。しかし、部屋の一角を大きく占有したうえ、取扱説明書をよく読まずに操作したため、機械から蒸気が出て部屋の温度が30度という熱帯状態を作りだした揚句、故障したという。シーズンでは左肩痛の発症により一軍登板はなく、二軍戦でも5月4日以来登板はなくリハビリに終始した。オフにはホリプロとマネジメント契約を結び、12月24日には本人の希望により登録名を本名の「菊池雄星」に変更すると発表された。2011年はフォームをスリークォーターに戻し、開幕一軍入りを果たす。中継ぎ投手としてベンチ入りするも登板機会は無く4月22日に登録抹消となった。二軍で調整した後、6月12日の阪神タイガース戦で一軍初登板・初先発するも2回1/3を4失点で降板。それでも初めての一軍登板を終えた嬉しさからか、試合後のインタビューで涙を流した。その後二軍での調整を経て30日のオリックス・バファローズ戦に先発し、5回を2失点でプロ初勝利を挙げた。8月18日の東北楽天ゴールデンイーグルス戦では8回まで無失点の好投をし、9回表に山崎武司に通算400号本塁打を打たれたものの、初完投勝利。8月31日には、故郷・岩手県での試合に登板し、打線の援護がなくプロ初黒星を喫したもののシーズン2度目の完投。結局9試合に先発し4勝をあげた。シーズン終了後の11月8日から12月22日まで、オーストラリア・ABLのメルボルン・エイシズに派遣され、5試合の登板で1勝2敗、防御率4.38、WHIP1.54の成績を残し、オールスターゲームにも出場。12月26日に契約更改した。2012年は開幕を二軍で迎え、稲尾和久の背番号『24』が永久欠番となることを記念するメモリアルゲームとして開催された7月1日の北海道日本ハムファイターズ戦で一軍に昇格し先発。勝敗はつかず8回を投げ6安打3失点の投球だったが、プロ入り後の最速となる150km/hを記録。この試合ではこのシーズン初の三重殺が達成された。15日のオリックス戦では6回から登板し4回を無失点に抑え、プロ入り後初セーブを記録している。8月から9月にかけては8試合に先発し3勝2敗、防御率2.20、WHIP1.05と好投を続けた。12月4日に300万円増の年俸2300万円で契約更改した。2013年は開幕一軍入りし、3月30日の日本ハム戦では高校の後輩でもある大谷翔平と対戦し、2三振に抑えた。4月13日の楽天戦では9回を3安打無失点に抑え、プロ入り後自己最速となる最速153km/hも記録する投球でプロ入り後初完封勝利を挙げる。6月12日の中日ドラゴンズ戦では9回1死までノーヒットノーランの好投を見せる。7月5日のロッテ戦で9勝目を挙げ、オールスターに初選出される。しかし後半戦からは2試合連続で4失点を喫し、7月から異変があったという左肩の炎症で8月7日に登録抹消され、そのままシーズンを終え、自身初の2桁勝利を逃した。シーズン終了後、現役引退したばかりの石井一久を引き継ぎ背番号を16へ変更。2014年も開幕一軍入りし先発ローテーションでの活躍が期待された。しかしこの年は思うように調子が上がらず、前年の活躍から一転不振に陥る。防御率自体は3.54とそこまで悪くなかったが、規定投球回に届いていないにも関わらずリーグ1位の78個の四球を与えるなどコントロールに苦しんだ。最終的に前年を上回る23試合に登板したものの、5勝11敗と負け越す結果となった。2015年7月16日、第1回WBSCプレミア12の日本代表第1次候補選手65名に選出されていたが、9月に発表されたトップチーム候補選手45名からは漏れた。9月13日、西武プリンスドームでのロッテ戦の初回にプロ入り後の自己最速を更新する155km/hをマークすると、続く2回にはプロ野球一軍戦における当時左腕史上最速となる157km/hを記録した（二軍戦ではソフトバンクの左腕・川原弘之投手が158km/hをマークしている）。2016年は自身初の開幕投手を務め、8月26日の対北海道日本ハムファイターズ21回戦（県営大宮球場）で、自身初の2桁勝利を達成し、9月28日の対北海道日本ハムファイターズ25回戦（西武プリンスドーム）で6回を投げ1失点、規定投球回にちょうど達し、自身初の規定投球回をクリアし防御率はリーグ2位だった。この試合は、日本ハム優勝決定試合かつ大谷と同高出身対決で大谷が1安打完封し、菊池には負けがついた。プライベートでは6月24日にフリーアナウンサーの深津瑠美と入籍した。2017年は2年連続の開幕投手を務め、7回1失点で勝利投手となり、4月21日の日本ハム戦では被安打1で4年ぶりの完封勝利を達成した。7月7日の楽天戦ではシーズン2度目の完封勝利を達成し、7月はこの1完封を含む3勝0敗で防御率0.81の好成績をあげたが、同じく3勝0敗で防御率1.33の東浜巨が7月度の月間MVPを受賞し、惜しくも月間MVPの初受賞を逃した。8月3日の楽天戦では、当時左腕史上最速の158km/hを記録し、8回1失点で勝利投手となった。シーズン通算では、防御率は2位の則本昂大に0.6の差をつけて最優秀防御率を獲得、白星も東浜と並ぶ16勝で最多勝利を獲得。奪三振は1位の則本と5個差のリーグ2位、WHIPはリーグで唯一の1.0未満であった。自身初のクライマックスシリーズではファーストステージ第1戦で完封勝利を記録したものの、チームは1勝2敗でステージ敗退となった。2018年は3年連続で開幕投手を務め、7回8奪三振2失点でシーズン初勝利を挙げると、4月28日の楽天戦まで5連勝する。開幕投手による開幕5戦5勝は球団では初だった。5月6日に左肩の張りで一軍登録を抹消された。6月1日に復帰すると、その日の阪神戦では6回無失点で6勝目を挙げた。9月21日のロッテ戦で史上352人目の通算1000投球回を達成。9月28日の福岡ソフトバンクホークス戦では7回3失点で初めてソフトバンクに勝利し、チームの優勝に王手をかけた。しかし、リーグ優勝をして迎えたソフトバンクとのクライマックスシリーズでは初戦に先発するも5回6失点で敗戦投手となり、チームもアドバンテージを含め2勝4敗で敗退。シーズン成績は勝利数・防御率・奪三振数はリーグ2位、勝率は規定投球回以上では1位も規定により最高勝率はボルシンガーに譲り、惜しくもタイトルを逃した。また、去年はリーグ2位/1位だった完投/完封も今年は完投が1度のみ、完封は0。5月の戦線離脱のみならず、シーズンを通してなかなかコンディションが整わない1年となった。同年シーズン終了後、スコット・ボラスを代理人としてポスティングシステムによるMLB移籍を表明。そして、現地時間12月31日にシアトル・マリナーズと契約合意したことが報じられる。2019年1月8日、NPBより自由契約選手として公示され、NPB12球団における平成最後の自由契約選手となった。