2013年、新人選手で唯一、一軍キャンプのメンバーに参加。3月29日の福岡ソフトバンクホークスとの開幕戦でプロ入り初登板・初先発、6回1/3を投げ4失点で敗戦投手となる。2度目の先発となった4月5日の千葉ロッテマリーンズ戦（Kスタ宮城）で6回2失点、パ・リーグの新人では1番乗りとなるプロ初勝利。4月27日の埼玉西武ライオンズ戦（西武ドーム）では7回1失点で2勝目。7月5日のソフトバンク戦（福岡ヤフオク!ドーム）では1回4失点で降板し敗戦投手となり、翌6日の同戦で1点ビハインドの3回から中継ぎ登板で3回1/3を無失点で抑えて救援勝利。8月29日のオリックス・バファローズ戦（ほっともっと）では新人勝利の球団新記録の12勝目、シーズン最終登板となった同年10月12日のオリックス戦（Kスタ宮城）では15勝目。ロッテとのクライマックスシリーズファイナルステージ（Kスタ宮城）では第2戦で先発し、9回を1失点11奪三振、試合は延長戦で敗れる。読売ジャイアンツとの日本シリーズでは、球団のシリーズ初試合となった第1戦（Kスタ宮城）で1952年の大神武俊（南海ホークス）以来、新人としては61年ぶり3回目となる開幕第1戦で先発登板。8回2失点、10奪三振の内容で好投するも打線が完封され、敗戦投手となった。第5戦（東京ドーム）では2-0で迎えた6回から2番手で登板、7回裏に村田修一にソロ本塁打と、9回裏にも村田の適時打で同点とされ延長戦に入り、10回表に先頭打者で打席が回り、代打も予想されたがそのまま打席に入り、西村健太朗から四球を選び出塁すると、その後銀次の適時打でホームに生還し決勝の勝ち越しとなる得点を記録。その裏を三者凡退に抑えて日本シリーズで初の勝利投手となった。3勝3敗で互いに王手をかけた第7戦では3-0で迎えた7回から2番手で登板し無失点で抑え、美馬学と則本と田中将大の継投で3-0で巨人に完封勝利し、チームは初の日本一達成。日本シリーズの終了後に、チームでは2007年の田中将大以来2人目のパシフィック・リーグ最優秀新人（新人王）を受賞した。12月24日には、八幡商での1年後輩で、同校野球部のマネジャーを務めていた女性との結婚を発表。同月29日には、出身地の滋賀から「滋賀県民スポーツ大賞」の特別賞、出身地の多賀町から「たがスポーツ大賞」をそれぞれ授与された。2014年、3月28日の開幕戦の西武戦（西武ドーム）に先発し、9回1失点でプロ初完投勝利を挙げた。2リーグ制以降、新人から2年連続で開幕投手を務めたのは54年ぶり史上3人目。4月18日の日本ハム戦（コボスタ宮城）でプロ初完封勝利を挙げるが、4月25日のオリックス戦（京セラドーム大阪）でプロ入り後最多の9失点で敗戦投手となった。5月9日のロッテ戦（QVCマリン）3回表二死から6月3日の阪神タイガース戦（コボスタ宮城）7回表一死にかけて、28回2/3イニング連続無失点を記録した。6月21日の阪神戦（甲子園）で7安打無四球で完封し、交流戦1シーズン最多の4完封勝利を記録するなど4勝1敗の成績で日本生命賞を受賞した。6月は4勝1敗の成績で自身初の月間MVPを受賞した。しかし7月以降は先発で5度登板して勝利投手になれず、8月には中継ぎに異動したが、8月15日のロッテ戦（コボスタ宮城）で2週間ぶりに先発、1安打無四球の内容の準完全試合で10勝目。球団初の新人から2年連続2桁勝利を達成した。9月19日の日本ハム戦（コボスタ宮城）で13奪三振の完封勝利を記録し、NPB史上6度目の出場野手全員からの奪三振と、球団新記録のシーズン7完封勝利を挙げた。最終的には204の三振を奪い、自身初のタイトルとなる最多奪三振を獲得。イニングも両リーグ最多の202回2/3を投げた（うち28登板199回1/3は先発）。オフの10月9日に、日米野球2014の日本代表に選出された事が発表された。先発した第3戦で5回を無安打無失点の快投を見せ、その後もオリックスの西勇輝、西武の牧田和久、ロッテの西野勇士が無安打無失点を続け日米野球史上初の継投ノーヒットノーランを達成した。また、契約更改では球団から3年3億円の複数年契約を提示されたが「まだ2年目なので、1年1年勝負したいと思います」と語り、複数年契約を拒否した。2015年、3年連続で開幕投手となり、ルーキーから3年連続での開幕投手は58～60年の杉浦忠以来で2人目。開幕から好投しても打線の援護に恵まれず勝ち星が伸び悩み、8月25日のオリックス・バファローズ戦で10敗目を喫する。それでも、9月、10月に4勝を記録し、10月1日のソフトバンク戦では6回2失点の好投で3年連続の2桁勝利を記録する。最終的には10勝11敗と負け越したものの防御率は2.57で自身初の防御率2点台を記録した。奪三振はリーグ最多の215個で、2年連続の最多奪三振を獲得した。そして、7月16日に、第1回WBSCプレミア12の日本代表第1次候補選手に選出された事が発表された。9月10日に、第1回WBSCプレミア12の日本代表候補選手に選出された事が発表された。10月9日に、最終ロースター28名に選出された事が発表された。11月8日、韓国との開幕戦において、二番手でリリーフ登板し、自身最速の157km/hを計測した。同月19日の韓国との準決勝では1回0/3、4失点で敗戦投手となった。2016年、2リーグ制では初となる新人から4年連続で開幕投手を務め7回3失点11奪三振の力投で開幕戦を勝利で飾る。その後の2試合で二桁奪三振を記録し史上初となる開幕から3試合連続で二桁奪三振勝利を達成した。8月6日に二桁勝利を達成したことで新人から4年連続二桁勝利となった。その後は勝ち星が伸びず5連敗を喫したが、最後の登板となった10月2日のソフトバンク戦で6回無失点の好投で約2ヶ月ぶりの勝利投手となった。奪三振は自己最多の216個で、野茂英雄以来の3年連続の奪三振王に輝いた。2017年、第4回WBCの日本代表に選出。その影響を考慮し、新人から続いていた開幕投手の連続記録は4年で途切れたが、4月4日のソフトバンク戦で、6回1失点の好投でシーズン初勝利を記録した。4月19日の西武戦から5月25日のオリックス戦まで6試合連続2桁奪三振を達成し、野茂以来26年ぶり2人目の記録となった。6月1日の巨人戦では、NPB新記録の7試合連続2桁奪三振を達成した。6月8日のDeNA戦でも2桁奪三振で8試合連続2桁奪三振としてNPB記録を更新した。6月15日のヤクルト戦（神宮）では7回6失点と崩れ、連続試合2桁奪三振の世界記録更新はならなかったものの、最終的に、自己最多タイの15勝をマークし奪三振は自己最多の222個で4年連続最多奪三振のタイトルを獲得した。2018年は2年ぶりに開幕投手を務め、勝ち星は付かなかったが8回1失点の好投でチームの2年連続開幕戦勝利に貢献した。4月6日のソフトバンク戦で通算1000奪三振、5月19日の日本ハム戦で通算1000投球回を達成した。この年優勝した西武には4試合に登板して防御率9.70の4敗、7月には右肘の違和感で投球回、球数制限を設けての登板があり、シーズン終盤には喘息で先発を回避することもあった。シーズン最終戦となった10月13日のロッテ戦（ZOZOマリン）で2点リードした状態から先発で4回を無失点と好投した古川侑利をリリーフ。2014年以来となる中継ぎ登板で3イニングを投げてそのままチームは勝利し10勝目を挙げて新人から6年連続2桁勝利となる。また、奪三振数はリーグトップとなり、史上3人目となる5年連続最多奪三振を記録したが、防御率は自己ワーストの3.69、得点圏の被安打率は3割を超えた。