2004年は2軍で9勝を上げイースタン・リーグ最優秀防御率を獲得。勝ち星こそつかなかったが、一軍初先発も経験した。2005年は林昌範らと競って開幕ローテーションを勝ち取り、4月だけでプロ初勝利を含む3勝を上げるが、その後は打ち込まれ、6月以降は1勝もできず4勝9敗、防御率5点台に終わる。2006年は開幕は中継ぎでスタートするが、4月8日の中日戦で離脱した高橋尚成の代役として先発し、6回を無失点で初勝利。そのまま先発に定着。スライダーを習得して飛躍の年となり、初完投勝利・初完封勝利を記録するなど、チームトップの12勝（13敗）を記録。オールスターゲームや日米野球にも出場した。リーグ3位の奪三振を記録したが、リーグ最多の9暴投を記録した上、左打者に対する被打率が高いという課題を残した。2007年3月30日の横浜ベイスターズ戦（横浜スタジアム）で初の開幕投手を務め、勝利し、その後も安定した活躍を続け、9月19日の阪神タイガース戦では自己最多の13勝目を上げる。自身初タイトルとなる最多奪三振を獲得。中日と対戦したクライマックスシリーズでは初戦に先発。内海はこの年中日を得意としたが、タイロン・ウッズに2ランホームランを浴びるなど4回4失点(自責点2)で敗戦投手となった。チームはストレートの3連敗で日本シリーズ進出を逃した。シーズン終了後、チームがセス・グライシンガーを獲得したことについて、あるイベントで内海は「（補強する）お金があるなら投手陣に回して欲しい。僕ら3人（ローテーションを投げぬき2桁勝利を挙げた内海、高橋尚成、木佐貫洋）は精一杯やったし、他のみんなもそう」と、球団の相次ぐ補強に物申した。こうした補強に対する反発・苦言とも取れる発言が公になることは全球団でも異例で、この後に球団から厳重注意を受け、さらに公式サイトが予告なしに閉鎖された。内海は発言について反省し、球団批判はしないと述べた。2008年は春季キャンプ中に脇腹を痛め、オープン戦前半を欠場。開幕投手も高橋尚成に譲るが、ローテーションの軸として1年間活躍し、12勝8敗でシーズンを終了した。打線の援護に恵まれない一方でエラーから自滅する試合や、突然の連続四球で降板する試合も目立ち、与四球68はセ・リーグワーストを記録した。前年4勝1敗と得意としていた中日戦も0勝5敗と相性が悪く、苦しい1年となった。阪神タイガースには相性が良いため、終盤の直接対決で好投する場面も多く（最後の直接対決3試合全てに先発して勝利）、チームの優勝（メークレジェンド）に貢献した。ポストシーズンでは埼玉西武ライオンズとの日本シリーズ第3戦と第7戦に先発し、第3戦では5回3失点ながらも打線の援護に助けられ、勝利投手。第7戦も6回途中までヒラム・ボカチカの本塁打による1失点に抑えたが、第3戦に続き、四球を連発し途中降板。その後、リリーフした越智大祐が打ち込まれ逆転を許し、日本一を逃した。四球の多さに不安こそ残したものの、被本塁打は7本と両リーグの規定投球回到達者中、楽天の岩隈久志、阪神の岩田稔に次ぐ少なさを誇り、防御率はリーグ3位の2.73を記録した。2009年は開幕前に第2回WBCの日本代表に選出された。3月20日（日本時間）の韓国戦に先発。頭部直撃の死球を出すなど制球に苦しみ、3回途中1失点で降板（勝敗付かず）。今大会ではこれが唯一の登板であった。レギュラーシーズンでは、5月4日の阪神タイガース戦での敗戦後に二軍落ちを経たが、その後再昇格してからは本来の投球スタイルを取り戻し、8月再度不調に陥ったが、9月は1完封勝利を含む4勝0敗、防御率1.16で自身初の月間MVPを受賞。最終的には前年に続いて2点台（リーグ7位）の防御率を残すが、前半戦4勝止まりだったことが響き、4年連続2桁勝利はならなかった。四球を減らすことが出来たものの、逆に被本塁打が激増し、奪三振が減ってしまった。チームはリーグ3連覇を達成し、CSファイナルステージは登板予定の試合の前に勝ち抜けが決まったことで登板はなかった。北海道日本ハムファイターズとの日本シリーズは第2戦に先発し、3回裏2死から5連打を浴び4失点で敗戦投手となったが、その後の第6戦では先発だった東野峻が、初回2死の場面で高橋信二の投直を右手の甲に受け降板した後に急遽マウンドに上がり、4回2/3を無失点に抑えて勝利投手となり、日本一に貢献した。2010年は巨人選手会長に就任（2013年まで）。開幕前に決意表明として名球会参加資格のボーダーラインである200勝の達成と、背番号26を永久欠番にすると宣言。3月26日の東京ヤクルトスワローズ戦では自身二度目の開幕投手を務め、勝利投手となった。左脇腹痛で登録抹消されたが、再昇格直後に登板した5月9日の対横浜戦で、巨人の左腕投手としては前年の山口鉄也以来となる開幕5連勝を達成した（先発に限れば1971年の高橋一三、2002年・2007年の高橋尚成、2004年の工藤公康に次いで4人目）。6月18日は完封勝利で中日から3年ぶりの白星を挙げた。しかし、8月11日の試合で結果が残せず、原監督から中継ぎ降格を告げられる。翌日の試合で前日からの連投の形で中継ぎ登板し、1回を無失点に抑え、8月27日の中日ドラゴンズ戦で完投勝利し、8勝目。最終的に2年ぶりとなる2桁勝利（11勝）を挙げたが、早い段階で打ち込まれて降板する試合が目立ったことから、防御率が自己最低の4点台（4.38）と精彩を欠いた。尚、契約更改時に年俸ダウンを不服とし、一回目の更改時では保留したが最終的に2000万ダウンで更改した。2011年は開幕投手を東野に奪われたが、春先から好調を維持。4月13日の対ヤクルト戦（北九州市民球場）でシーズン初勝利を挙げると、5月6日の対中日戦から6月18日の対西武戦まで7連勝した。この期間中、5月28日の対ロッテ戦（QVCマリンフィールド）で完封勝利、前述の西武戦では1失点完投勝利を挙げ、同年5月の月間MVP（月間MVP受賞は自身2度目）と交流戦優秀選手をそれぞれ受賞した。その後も新たに習得したフォークを武器に安定した投球を続け、前年の不調を断ち切るエース級の働きをみせ、7月19日の対中日戦（HARD OFF ECO スタジアム 新潟）でセリーグ投手最速で10勝目に到達。9月25日の対阪神戦（甲子園）では自己新記録となる15勝目を挙げた。巨人の左腕投手の15勝到達は1979年の新浦寿夫以来、32年ぶりであった。最終戦となった10月22日の対横浜戦では、長野久義の代打逆転サヨナラ満塁本塁打で18勝目をあげ吉見一起（中日）とともに、巨人の左腕投手としては1969年の高橋一三以来42年ぶりとなる最多勝を獲得。防御率も自己最高となる1.70の好成績を残した。2012年は2年ぶりの開幕投手となった開幕戦、ヤクルトと対戦し6回3失点で降板し、黒星スタートとなった。4月12日の対中日戦で史上130人目の1000奪三振を達成し、シーズン初勝利を挙げた。シーズン序盤はやや安定感を欠いたが、交流戦では4勝0敗、防御率1.29の成績でチームをセ・リーグ球団初の優勝に貢献し、MVPを獲得。さらに7月16日の阪神戦(甲子園)からレギュラーシーズン最終登板の10月5日の横浜DeNAベイスターズ戦(東京ドーム)まで8連勝を記録。先発陣の中でただ1人ローテーションを守りきり、巨人では斎藤雅樹（1995年～1996年）以来、巨人の左腕投手では史上初となる2年連続で最多勝を獲得した。防御率は2年連続で1点台ながら、またも防御率タイトルは獲得できず（プロ野球史上では村山実の1965～1966年以来46年ぶりの珍事）。中日とのクライマックスシリーズ第1戦に先発するも6回2失点で負け投手になり、第5戦では5回途中にトニ・ブランコに2点本塁打を打たれ同点とされたところで降板。日本シリーズでは、第1戦目に7回を投げ無失点、第5戦目にも先発し、8回2失点と好投した。その好成績で、同年のセ・パ交流戦に続いて日本シリーズでもMVPに選出された。12月4日に第3回WBC日本代表候補選手34人が発表され候補入りした。また契約更改では年俸4億円で4年契約を結んだ。2013年2月20日に、第3回WBC日本代表選手28人が発表され代表入りした。本戦では、2試合に中継ぎで登板し、2回1/3を投げて被安打2・自責点4点・防御率15.43だった。レギュラーシーズンが始まると前半戦も長打を喰らう場面が目立ち、6月16日の福岡ソフトバンクホークス戦で完投勝利してプロ通算100勝を達成したが、前の4試合で計20失点して99勝で足踏みしていた。8月6日の対DeNA戦で通算1500投球回達成。後半戦は調子を取り戻し4年連続の2桁勝利を達成したが、前半戦の不調が響いて3年連続の最多勝は逃し防御率も1点以上悪化、ローテーションに定着した2006年以降で最小の1完投、2005年以来8年ぶりの0完封となった。クライマックスシリーズではファイナルステージ第1戦に登板するも4回2失点で降板した。日本シリーズでは第1戦と第5戦に先発し、第7戦には中継ぎ登板した。2014年は好投しながらも勝ち星がつかないなど不運もあり開幕から9試合勝ち星がつかず、5月29日の楽天戦でようやく初白星を挙げた。6月には左肩の違和感で先発を急きょ回避して抹消されるなど7月までわずか1勝にとどまる。8月以降ようやく復調し、後半戦は8月と9月で計6勝をマークするなど活躍した。9月26日のDeNA戦では優勝を決める試合で先発し、8回途中まで投げる粘りを見せる。規定投球回への到達は危ぶまれていたが、それでも100奪三振は達成し、防御率は昨季よりも改善した。にもかかわらず、シーズン全体では7勝9敗に終わり、連続2桁勝利も4年で途絶えた。阪神とのクライマックスシリーズでは開幕投手を任されたが、初回にマウロ・ゴメスの2ラン本塁打などで3点を先制され、7回途中4失点で敗戦投手となった。チームもCS史上初の4連敗で敗退した。2015年はオープン戦で左前腕部を故障し、開幕二軍スタートとなった。6月5日のソフトバンク戦で先発し、4回途中5失点と打ち込まれ、試合後に再びの二軍落ちが決まった。その後杉内が抹消されたことに伴い、7月29日に一軍登録された。DeNA戦(京セラドーム大阪)に先発し、6回まで2失点と好投したが7回に走者をためると足をつりこの回途中で降板した。後を受けたスコット・マシソンが梶谷隆幸に同点適時打を浴び、勝利投手になれなかった。この試合で足にトラブルが起きたことで、再び登録抹消となった。8月12日に再度一軍登録され、その日のDeNA戦(東京ドーム)で先発すると、立ち上がりは良好であったが4回に崩れ始めた。結局は5回2/3を投げて4失点の内容ではあったが、打線の援護とリリーフ陣の粘投があってチームは接戦を制し、内海は今季の初勝利を挙げた。10月4日、出場選手登録が公示された。その日のシーズン最終戦でもあるヤクルト戦で2勝目を挙げたが、1年目を除いて一軍定着した05年以降では最低の成績に終わった。クライマックスシリーズではファーストステージ第1戦に中継ぎとしてベンチ入りしたが第2戦、第3戦はベンチを外れた。そしてチームは2勝1敗で阪神を下しファイナルステージへ進出。そのファイナルステージ第1戦で先発を任された。内海がファイナルステージ初戦の先発を任されたのは2012年から4年連続となった。3回まで無失点で4回に畠山和洋に先制のソロホームランを許したが、チームはその後すぐに逆転に成功。5回に2アウトをとって交代となり、5安打3四球で4回2/3を1失点も勝利投手権利目前での交代だったためまたもファイナルステージでの勝ち投手はお預けとなった。その後はリリーフ陣が無失点で押さえ、チームは勝利した。だが翌日から3連敗で日本シリーズ進出を逃した。2016年は前半はオープン戦での不振や故障で1軍登板できず、中盤から先発へ復帰。全盛期のような球威はなかったが、緩急を使い、コーナーを丁寧に突く投球術と牽制・クイックなどの技術を駆使して順調に白星を重ね、9月30日の阪神タイガース戦最終登板では、8回無失点で勝利投手権利を持ち降板したがリリーフの澤村が2失点し逆転負け、10勝には届かなかった。2年ぶりに100回を投げるも規定投球回にも届かず完全復活とはならなかったが、中盤から復帰したにもかかわらず、前年・前々年を上回る9勝を挙げた。CSファーストステージ対DeNA第3戦に先発するが2回途中3失点で降板、延長の末にチームは敗退した。2017年は、シーズン当初はローテーション入りし、初登板のDeNA戦では自らタイムリーを打つなどして白星を挙げたものの、徐々に調子を崩し、また他の先発投手との兼ね合いもあり、登板と登録抹消を繰り返しながらシーズンを過ごしたものの、2勝7敗、防御率も5点台後半に終わった。契約更改では2年連続の減額制限越えとなる50％ダウンの1億円で契約を更改した。2018年は2年ぶりに開幕二軍スタートとなったが5月30日に一軍登録された。7月31日のDeNA戦で自身4年ぶりの完封勝利を挙げた。最終成績は15試合に登板し、5勝5敗、防御率4.17だった。12月20日、国内FAを宣言をした埼玉西武ライオンズの炭谷銀仁朗を巨人が獲得したことによる人的補償として、西武への移籍が巨人球団から発表された。12月21日、NPBから公示される。巨人の開幕投手経験者がFA移籍に関わる人的補償で他球団に移籍することは球団史上初のことであった。