2005年オフ、中日監督の落合博満の「ほかのチームだったらあるんじゃないか」という配慮によりトレード要員通告され、その後金銭トレードで東北楽天ゴールデンイーグルスに移籍。それに伴って、登録名を「土谷鉄平」から「鉄平」に改めた。2006年、開幕戦の北海道日本ハムファイターズ戦に「1番・中堅手」としてスタメン出場する。4月22日の埼玉西武ライオンズ戦で西口文也からプロ初本塁打を放つ。6月2日は古巣の中日戦（フルキャストスタジアム宮城）で4安打を放ちサヨナラ勝ちにつなげ、試合後、中日監督の落合博満から「お前を（トレードに）出した甲斐があった」とのコメントを受けた。6月30日の日本ハム戦から7月6日の千葉ロッテマリーンズ戦にかけて9打席連続三振を記録。野手の連続三振記録の新記録となった。この年は103試合に外野手として出場し、チーム2位の打率.303を残す。また、西岡剛、赤田将吾、川崎宗則と並んでリーグトップタイの7三塁打を記録した。ファンからの最多投票を受け、楽天野球団主催の『2006年度MVP選手』に選ばれる。これにより、2007年度の同球団ファンクラブ特典のフィギュアは鉄平となった。11月、イオン日米野球2006に監督推薦選手として出場。スコアボードになぜか「東北鉄平」と誤表示されてしまうというハプニングもあった。12月7日、球団史上最高となる220%の年俸アップ率で契約更改をし「自費で新幹線に乗るときはいつも自由席だったけど、これからは座席が広いグリーン車に乗れそうです」とコメントした。また、この日「グッズを作り直すのが大変だろうから」と、背番号は変更しないことを発表した。2007年、3月24日の開幕戦から11試合連続ヒットを記録する。5月6日、北京オリンピック日本代表選手・第一次候補選手に選ばれる。7月20日、21日に行われたオールスターゲームに、ファン投票で選出され（楽天からは鉄平含め合計8名選出）、第1戦（東京ドーム）では途中出場、第2戦（フルキャストスタジアム宮城）では「1番・中堅手」でスタメン出場した。8月7日、日本ハム戦でライアン・グリンから第10号本塁打を放つ。この年はチーム2位の135試合に出場した。打率.254、出塁率.311は共に昨年よりダウンするも、本塁打が10本と、プロ初の二桁本塁打を記録。打順はシーズン通して一定しなかったが、下位打線で出場することが多かった。2008年、この年は序盤からなかなか調子が上がらず、開幕戦は2番で出場したが、その後は8番での起用となった。しかし開幕から1番だった渡辺直人の怪我により、交流戦のころから1番になると大幅に調子を上げるが、6月8日の中日戦で本塁に突入した際に足を痛め登録抹消、チームも順位を下げる。しかし、この年それまでで自己最多の打点を記録し、得点圏打率は3割2分を超えた。11月22日、入籍をしたと発表した。2009年、最高年俸だった礒部公一が大減俸となったため、楽天外野手最高年俸の選手となった。週刊ベースボールのインタビューで「今年の自分の鍵を握る最大のポイントは運ですね」とシーズンに臨む意気込みを語っている。3割5分を超える高打率を維持していた5月、「気持ち悪い」と体調不良を訴えて二軍降格。症状からメニエール病ではないかと心配されたものの検査したところ特に異常はなかったため、すぐ公式戦に復帰した。8月6日には球団新記録となる22試合連続安打を記録。同日は決勝打を含む3安打を放ち、打率トップに浮上する。最終的に連続試合安打の記録を24まで伸ばしている。また、この頃には4番を努める山崎武司と並ぶ不動の3番バッターとして活躍。8月の成績は打率.402、3本塁打、24打点で自身初の月間MVPを受賞。終盤やや打率を落としたものの、最後までトップの座を守り、初の打撃タイトルとなる首位打者を獲得した。打率.327、12本塁打、76打点、13盗塁は自己最多。前年左投手に.202と苦しんだがこの年は.314、7本塁打をマークした。更にシーズン記録では5位タイとなる両リーグ最多の13本の三塁打を放つなど飛躍のシーズンとなった。10月13日にはこの活躍により大分市民栄誉賞の進呈が発表された。同賞を贈られるのは同学年の内川聖一に次いで2人目。また、初となる外野手のベストナインに選出された。実は8月9日の対日本ハム戦で武田勝からボールを受けて（この時の判定はファウル）左手人差し指を骨折をしていたが、それでも試合に出続けていたことをオフの激励パーティーにて語った。マスコミやシーズンオフの出演等も控え気味であったが、2009年の「報知プロスポーツ大賞」（報知新聞主催）の表彰式等に出演。石川遼等の各界スポーツ選手と壇上に立った。また年末の日本テレビ系列で放送された『中居正広の7番勝負!超一流アスリートVS芸能人どっちが勝つの?SP2』内の軟式野球に、亀梨和也等の各芸能人と多村仁志、内川聖一らと出演。鉄平・多村・内川という一流プロ野球選手（打者）3人を連続で抑えることができるかという企画に挑戦した。2010年、正月特番として放送された日本テレビの『徳光&所の世界記録工場 PART6』では上野由岐子らが出演した日米の女子ソフトボール投手との「ヒットを打てば100万円」対決企画を行った。この年は聖澤諒がレギュラーに抜擢された影響によって右翼手にコンバートされた。シーズン前半は交流戦の読売ジャイアンツ戦、阪神タイガース戦で自身初を含む2度のサヨナラ安打を打つ活躍を見せたが、前年と比べて打率が上がらずに苦戦。その影響で打順が固定されず、4番で出場した試合もあった。後半は前年に迫るほどに調子を上げ、9月12日のオリックス・バファローズ戦から9月14日の日ハム戦にかけて9打数連続安打（パ・リーグ2位タイ）を記録。しかしシーズン閉幕直前の9月18日のロッテ戦で小林宏から死球を受け右足小指を骨折（この時はそのまま走者として試合に出続け、中村紀洋のヒットによってサヨナラのホームを踏んだ）。後日即登録抹消されそのままシーズンを終える。打率は3割を超えたものの、得点圏打率は.271とやや不本意な成績だった。2011年、新しく監督に就任した星野仙一から、山崎武司に代わる新キャプテンに指名され、キャンプでは左翼手にコンバートされたが、右翼手のレギュラー候補であった牧田明久が故障離脱したため右翼手に戻された。この年は新たに統一球が導入されたこともありスイングの修正に取り組んだが、本人が「すべてを失った」というほどの不振に陥った。シーズンに入ってからはまったく調子が上がらず、中盤はほとんどファームで過ごす事となった。91試合の出場で打率.228、1本塁打、17打点と楽天移籍後としては最低の成績となった。打撃はサッパリだったものの、守備では出場試合が少ないにもかかわらず、リーグ2位となる9個の補殺を記録した。2012年は前年までよりバットを短く持つスタイルに変更するものの、開幕をベンチスタートで迎える。当初の外野陣はルイス・テレーロ、聖澤、牧田の3人で固定されており、代打や守備固めでの出場が主であったが、テレーロと牧田が不振でスタメンを外されるようになると、代わってスタメンの機会が増えた。6月頃からかつての打撃に迫るほどの調子の良さを見せ、6月の月間打率は.381を記録。一時は3割を越える打率を記録して完全復調したと思われたが好調も続かず、打率は前年より若干良くなったものの.251に終わり、結局レギュラーの座を奪い返すまでには至らなかった。守備ではライトを中心に、前年から守り始めたレフト、そしてかつて守っていたセンターの守備に就くなど、外野3ポジション全てで守備に就いた。2013年には選手会長に就任。開幕当初は牧田が「5番・ライト」で起用されていたことなどから、前年と同様に代打や守備固めでの起用が多かった。4月26日には、出場選手登録の通算日数が8年に達したことから、日本国内でのみ行使できる国内フリーエージェント（FA）権の資格取得条件を満たしている。牧田が4月下旬に左手首を痛めて戦線を離脱してからは、一時ライトのレギュラーに復帰。しかし、交流戦期間中から、入団2年目の島内宏明や捕手登録の岡島豪郎（いずれも鉄平と同じ左打者）にスタメンの座を明け渡すことが多くなった。その影響や自身の打率低迷などから、7月1日に出場選手登録を抹消されると、シーズン終了まで二軍生活に終始。チームは創設9年目でパシフィック・リーグ初優勝を果たしたものの、クライマックスシリーズ・ファイナルステージでは出場機会がなく、日本シリーズの出場資格者名簿からも外れた。なお、日本シリーズの終了後には、前述の国内FA権を行使せずにチームへ残留する意向を表明。さらに、野球協約で定められた年俸の減額制限を大幅に超える球団からの減俸提示を了承したうえで、契約を更改した。