2007年は春季キャンプでのフリー打撃、紅白戦、オープン戦の初登板が全て雨で中止か延期となり、チーム内で雨男とあだ名された。3月29日の対福岡ソフトバンクホークス戦で初登板初先発、1回2/3を投げて打者12人に対し6安打3奪三振1四球で6失点。4回に同点となって敗戦投手にはならなかった。降板後のベンチで涙を見せた。4試合目の登板となった4月18日の対ソフトバンク戦で9回を2失点13奪三振に抑え初勝利初完投。6月13日の対中日ドラゴンズ戦で高卒新人では2005年のダルビッシュ有以来の完封勝利を記録。同年のオールスターゲームに高卒新人では1999年の松坂大輔以来となるファン投票で選出された。7月22日の第2戦に先発して自己最速の153km/hを記録した（2回6失点）。7月10日には高卒新人として松坂大輔以来史上6人目、江夏豊と並び最速タイとなる96回2/3でのシーズン100奪三振を記録。8月31日の埼玉西武ライオンズ戦で松坂大輔以来となる高卒新人、および球団史上初となる2ケタ勝利を挙げた。リーグ4位の186回1/3を投げて11勝を挙げ、リーグ2位で高卒新人では歴代4位の196奪三振を記録。高卒1年目で新人王を受賞した。これは、松坂大輔以来8年ぶり。同年は連敗ストッパーとなることが多く、監督の野村克也は「だって（田中は）ウチのエースだもん」と答えたこともあった。ソフトバンクとの相性が良く、登板6試合のうち5試合で勝利投手になった。2008年はシーズン前に2年目のジンクスについて聞かれると「全く考えていない。いまやるべきことをやるだけ。そのことは二度と聞かないでほしい」と答えた。5月4日の対北海道日本ハムファイターズ戦（札幌ドーム）で勝利投手となり、北海道で初勝利を挙げた。また、この試合後には同球場では史上初の対戦チーム選手のヒーローインタビューが流された。交流戦の最終戦の対広島東洋カープ戦（広島市民球場）ではプロ入り初セーブを挙げた。北京オリンピック（北京五輪）の野球日本代表に選出され、背番号は15。大会を通じ3試合に登板、7イニング無失点だった。レギュラーシーズン最終戦の10月8日の対ソフトバンク戦（Kスタ宮城）で9回を6安打無失点に抑え、チームは延長12回にサヨナラ勝利するが田中は勝利投手とならず、この年は9勝に終わるが、高卒新人としては40年ぶりの2年連続150奪三振を記録した。2009年、開幕前の3月に開催された第2回ワールド・ベースボール・クラシック(WBC)の日本代表に選出された。同大会では大会2連覇に貢献した。シーズンではホーム開幕戦となる、対ソフトバンク戦に先発して完封でシーズン初勝利を挙げた。また、4月14日の対千葉ロッテマリーンズ戦で1失点完投、4月22日のロッテ戦で完封、4月29日の対日本ハム戦で野村克也の監督通算1500勝目となる1失点完投と、1993年の小宮山悟、長谷川滋利以来となる開幕から4試合連続完投勝利を記録し、自身初の月間MVPに選出された。5月13日の対日本ハム戦で完投は途切れたが、6月3日の対阪神タイガース戦で敗れるまで開幕7連勝を記録。6月11日の中日戦で8勝目を挙げた後は、7月20日の対ソフトバンク戦で抑えとして登板して自己最速を更新する155km/hを計測し、防御率1点台を維持しつつもオールスターゲーム後まで勝ち星からは遠ざかっていた。8月7日の日本ハム戦で約2か月振りの勝利となる9勝目を挙げて以降は安定した結果を残し、8月27日の西武戦で自己最多となる12勝目を記録。8月には4試合に登板して4勝0敗、防御率1.44、30奪三振で自身2度目となる月間MVPに選出される。援護率がパリーグでワースト2位の3.54だったにもかかわらず、最終的にリーグ2位タイ、チームトップとなる15勝、リーグ3位となる防御率2.33を記録。10月17日のクライマックスシリーズ第1ステージ第2戦の対ソフトバンク戦では自身初の無四球完投勝利を挙げ、チームの第2ステージ進出に貢献した。12月25日の契約更改では1億500万円増、プロ入り4年目の選手としてはダルビッシュに次ぐ史上2番目の高額契約となる年俸1億8000万円で契約（推定）。2010年はシーズン開幕から低調なチームの中でも奮闘した。5月には自身3度目となる月間MVPを受賞し、6月までにチームトップの8勝を挙げた。しかし7月に太腿の肉離れで戦線離脱。8月に復帰するも、8月29日の対西武戦で投球中に違和感を訴えて降板すると右大胸筋部分断裂と診断され、以降の試合は欠場している。最終成績の11勝、防御率2.50はチームトップだったが、奪三振や投球回はプロ入り後最低となった。11月15日にはタレントの里田まいとの交際を自身のブログで公表した。2011年1月12日にホリプロよりマネジメント契約を結んだことが明らかにされた。公式戦シーズンは、6月と7月には2か月連続で月間MVPを受賞、8月7日の対日本ハム戦を迎えるまでの開幕から16試合連続でクオリティ・スタートを達成し、8月27日の対ソフトバンク戦では野田浩司に次ぐ歴代2位の1試合18奪三振を記録。9月10日の対日ハム戦では、2006年夏の甲子園の決勝以来となる斎藤佑樹との対戦となり、前売り券のみで売切れるほどの大きな盛り上がりを見せ、結果は田中が1失点完投で勝利した。この試合は「ジョージア魂」賞の年間大賞に選ばれている。シーズン前半は10回無失点ながら勝ちが付かないなど、中々打線の援護に恵まれなかったが後半に勝ち星を伸ばし、最終的に19勝5敗。前述の6、7月の他に10月も月間MVPを受賞し、リーグ史上初となる年間3度の月間MVP受賞を果たした。投球回は初の200イニング超えの226回1/3イニング、年々減っていた奪三振は241とイニング数を超える数を記録。防御率はパ・リーグ史上2位となる1.27で、2リーグ制以降では歴代5位の記録である。この年は最多勝利（D.J.ホールトンと同数）、最優秀防御率、最優秀投手、最多完封（6試合、ダルビッシュと同数）の4冠を獲得。他に両リーグトップの完投（14試合、ただし2試合10イニングを投げた試合があるがいずれも決着が付かなかったため完投ならず）、無四球試合（5試合）も記録。四球の数も減り、過去最多のイニングを投げながら四球は僅か27と過去最少で、パ・リーグの規定投球回に到達した投手の中では3番目に少なく与四球率1.07、K/BBは最多奪三振を記録したダルビッシュの7.67を上回る8.93を記録し、沢村栄治賞を初受賞、他にもベストナインにも選出され、ゴールデングラブ賞、最優秀バッテリー賞も獲得した。2012年、1月26日に里田まいとの婚約を発表。シーズン開幕を控えた3月20日に里田との婚姻届を提出した。3月30日の開幕戦では自身初の開幕投手を務めたが、6回5失点で敗戦投手となった。4月22日に腰痛で2年ぶりに戦線離脱した。復帰後の5月30日の対巨人戦は先発の杉内俊哉と互いに8回まで投げ2ケタ奪三振を記録する勝負であったが、チームはノーヒットノーランで敗れ敗戦投手に。7月6日の西武戦では先発登板が予定されていたが、投球練習中に右脇腹に違和感を訴えて先発登板を回避し、代役として中7日で塩見貴洋が登板することになった。8月19日の対西武戦（西武ドーム）では通算1000奪三振を記録するものの6失点で敗戦投手となるが、8月26日の対日本ハム戦では延長10回を無四球完封勝利を挙げ、これより翌シーズンにかけての連勝記録をスタートさせる事になる。シーズン終盤に4連勝し、最終戦で10勝目を挙げ、4年連続の2ケタ勝利となった。防御率は2年連続の1点台となる1.87、リーグ最多奪三振を記録。また完投、完封もリーグトップを記録。規定投球回達成者では最少となる19四球、BB/9は0.99と1を割り込んだ。オフの12月4日に第3回WBC日本代表候補選手34人に選出された。また12月22日に3年12億円＋出来高で契約更改し、「将来的に、そういうところ（メジャー）でやろうという気持ちが芽生えたので、早いうちに伝えようと思いました」と将来的なメジャーリーグ挑戦の意思があることを明らかにした。2013年は、2月20日に第3回WBC日本代表選手28人に選出された。同大会では先発として起用されていたが、中継ぎに配置転換され、4試合に登板。7イニングで防御率2.57の成績だった。レギュラーシーズンでは開幕から連勝を重ねた。4月は4試合に登板し、3勝0敗。なお4月16日の対ソフトバンク戦では7回3失点でリードのまま降板しているが、チームがその後逆転負け。田中に勝ち負けはつかなかったが、この年のシーズン公式戦では唯一の田中が登板しての敗戦となった。5月は5試合に登板し4勝0敗で、通算8度目となる月間MVPを獲得した。これは、投手としてはパ・リーグ最多、5年連続受賞は投手としてはプロ野球初。6月16日の対阪神戦（Kスタ宮城）で球団新記録の開幕から9連勝。6月は4試合登板で3勝0敗で、史上初の2度目の2カ月連続、通算9度は投手としては日本プロ野球最多タイの月間MVP受賞。7月は4試合登板で3完投の4勝0敗として、パ・リーグ初の3カ月連続、日本プロ野球タイ記録の年間3度目、通算10度目（いずれもイチローの記録に並ぶ）の月間MVP受賞となった。8月に入っても連勝は途切れることはなかった。9月に多くの連勝のプロ野球新記録を作ることになる。8月2日の対日本ハム戦（札幌ドーム）で、開幕から15連勝として間柴茂有（1981年）と斉藤和巳（2005年）の日本プロ野球記録に並んだ。8月9日の対ソフトバンク戦（Kスタ宮城）で日本プロ野球新記録の開幕16連勝、また前年から20連勝で、松田清（1951年 - 1952年）と稲尾和久（1957年）の日本プロ野球記録に並んだが、先発登板だけで20連勝は史上初である。8月16日の対西武戦（西武ドーム）で日本プロ野球新記録の21連勝。8月30日の対ソフトバンク戦（ヤフオク）で開幕からの連勝を19として、にルーブ・マーカードが1912年記録したメジャーリーグの開幕連勝記録に並んだ。8月は5試合に登板し、5勝0敗で、日本プロ野球新記録の4カ月連続、年間4度目、通算11度目となる月間MVPを受賞。9月6日の対日本ハム戦（Kスタ宮城）で稲尾和久（1957年）の記録に並ぶ日本プロ野球タイ記録のシーズン20連勝。シーズン20勝は2008年の楽天の岩隈久志以来。メジャーリーグの開幕連勝記録を上回った。9月13日の対オリックス戦（Kスタ宮城）でシーズン21連勝、日本プロ野球新記録となり、カール・ハッベルが1936年から1937年にかけて記録したメジャーリーグ連勝記録を上回った。9月21日の対日本ハム戦（札幌ドーム）で日本プロ野球では1980年の木田勇以来33年ぶり、2008年の岩隈久志を上回る球団新記録のシーズン22勝目で、2003年の斉藤和巳以来の日本プロ野球タイ記録の15試合連続登板勝利。楽天の優勝へのマジック2で迎えた9月26日の対西武戦（西武ドーム）で1点差で迎えた9回裏に、同季初のリリーフで登板。この時、ほぼ同時刻に2位のロッテが敗れてマジックが1となり、このまま勝てば優勝決定の場面で、田中はランナーを2人出したものの無失点で抑えて胴上げ投手となり、チームは初のリーグ優勝を決めた。田中のセーブは4年ぶり。9月は4試合登板で3勝1セーブとして、5カ月連続、通算12度目の月間MVPを受賞。その後も連勝は途切れることなく、同季最終登板となった10月8日の対オリックス戦（Kスタ宮城）でシーズン24勝目を挙げた。シーズン中の田中のクオリティスタート率は100％であり、全試合を6イニング以上、自責点3以下に抑えた。ロッテとのクライマックスシリーズ（CS）ファイナルステージでは第1戦（Kスタ宮城）に先発登板し2対0で、CSでは初の完封勝利。CSで3試合連続勝利はタイ記録で史上3人目、3試合連続完投勝利はCS新記録。日本シリーズ進出を決めた第4戦でも9回表にリリーフで登板し無失点に抑えて、パ・リーグCSの最優秀選手に選ばれている。巨人との日本シリーズでは第2戦（Kスタ宮城）に先発し、シリーズ史上18人目20度目の二桁奪三振、シリーズ史上3人目の毎回の12奪三振で、自身と球団シリーズ初勝利を挙げるが、チームの日本一まで残り1勝だった第6戦（Kスタ宮城）では、9回を160球で完投も被安打12で、この年のシーズン公式戦から含めてワーストとなる4失点で敗戦投手となった。翌日の第7戦（Kスタ宮城）でも3点リードで迎えた9回から登板。打者5人に15球で無失点で抑えてセーブを挙げ、球団史上初の日本一が決定すると共に、田中が胴上げ投手となった。この年は、最多勝、最優秀防御率、勝率第1位投手を獲得。前年からの連勝を28、開幕からの連勝を24としてそれぞれ日本プロ野球新記録を達成。規定投球回数に達し、勝率10割としたのは日本プロ野球史上4人目で、シーズン無敗で最多勝は日本プロ野球史上初。沢村賞は選考委員会でわずか10分満場一致により選出され、ベストナイン投手部門では24年ぶり、自身初のMVPでは投手野手通じて48年ぶりに、記者投票で満票を獲得しての受賞となった。11月23日に行われた球団のファン感謝祭において、開幕からのシーズン24連勝に前年からの28連勝と、これにポストシーズンの2勝を含めた30連勝の3つがギネス世界記録として認定され、認定証が贈られた。ポスティングシステムの新協定成立後の12月17日には翌シーズンのMLB挑戦を希望していることを表明し、25日に球団からポスティングシステムの行使を容認される。マネジメント契約を結んでいたホリプロとの契約はこの年で終了し、エクセル・スポーツ・マネジメントのケーシー・クロースを代理人として契約交渉を行う。田中はプロ入り当初からメジャー願望を持っていたことを当時の監督であった野村が後に明かしている。