ザ・タイガースの解散後、沢田は1971年2月1日、新たなバンド・PYGに参加する。英米で結成されたクリームやブラインド・フェイスのようなスーパー・グループで、ザ・スパイダースから井上堯之と大野克夫、ザ・テンプターズから萩原健一、大口広司、ザ・タイガースから沢田と岸部修三という6人のメンバーによって結成された。このバンドは沢田と萩原によるツインボーカルで、井上、大野、岸部ら作詞や作曲、演奏ができる技巧派が揃い、本格的なニューロックを目指した。しかし、日本ではまだ反体制のジャンルとされていたロックを、当時最大手の芸能事務所だった渡辺プロダクションの所属ミュージシャンが演奏することに対し、「商業主義」「芸能界が創り出したもの」として、コンサートではPYGにトマトや空き缶を投げつける聴衆もいた。
京都のダンス喫茶「田園」でドアボーイのアルバイトをしている時にサンダースに声をかけられ、17歳の沢田はローディー兼ボーカリストになった。そのステージを見たサリーとプレイボーイズのサリー（岸部修三＝現・岸部一徳）から沢田はリード・ボーカルとして誘われ、翌年の元日にサリーとプレイボーイズに正式加入、グループ名は「ファニーズ」と改めた。ファニーズは、大阪のジャズ喫茶「ナンバ一番」に出演した際に、上条英男、スパイダクション(現・田辺エージェンシー)、そして共演したロック歌手の内田裕也からも声をかけられた。しかし具体的な話が進まなかったため、当時リーダーであった瞳みのるが東京代々木上原の内田裕也宅を訪ね、瞳の熱意の甲斐あってメンバー全員が渡辺プロと契約。上京後、ザ・ヒットパレードのプロデューサーであったすぎやまこういちによって、テレビ番組の出演直前に「ザ・タイガース」と新たに名付けられる）。この時、内田に『沢ノ井謙』と言う芸名を勧められたが、沢田は本名でやりたいと拒否している。1967年2月5日にシングル「僕のマリー」でデビュー。セカンド・シングル「シーサイド・バウンド」で人気が爆発し、続く「モナリザの微笑」、そして「君だけに愛を」で一気にグループ・サウンズ (GS) の頂点へと躍り出る。とりわけ端整な容姿を持った沢田は、貴公子的存在として10代の少女や20代の女性を中心に熱狂的な人気を獲得した。1968年8月12日にザ・タイガースが後楽園球場で開催した「真夏の夜の祭典」は、日本で初めてのスタジアムコンサート。なお、ソロとしてのスタジアムコンサートは田園コロシアム（ザ・タイガース、PYGとしても開催）、大阪スタヂアム、ナゴヤ球場、横浜スタジアム、東京ドーム、京セラドーム大阪で開催している。1969年3月1日、アメリカの音楽雑誌の中でも歴史が長く、最も権威ある音楽雑誌のひとつ『ローリング・ストーン』 (Vol.28) の表紙に登場。日本版が刊行される前の同誌において、日本人が表紙を飾ったのは、これが最初で最後だった。1971年1月24日、日本武道館で行われた「ザ・タイガース ビューティフル・コンサート」でグループは解散した。
1948年6月25日、両親の実家がある鳥取県岩美郡津ノ井村（現・鳥取市津ノ井）で出生。戸籍上の名前では、“研”という文字の右下に点がある。当時、父親が舞鶴市内の火薬研究所の取引先に勤務しており、二番目の子だったため「研二」と命名された。京都市立第三錦林小学校、同・岡崎中学校卒業後、1964年4月、京都の名門進学校、京都府立鴨沂高等学校入学、後に同校を中退。なお女優、大信田礼子も沢田と同じ高校出身である。少年時代はプロ野球選手に憧れ、選手では川上哲治、藤尾茂が好きだった。中学では野球部のキャプテンを務め、ポジションは一塁手。京都市大会で4位になり、京都府大会に進出したが、ここで負けたことで野球選手の夢は諦めたという。高校では空手部に所属。
デパートの店内放送をしていた母親の影響で、喋る仕事に興味を持ち、放送業界関係者にスカウトを受け、声優業を始める。3人兄妹の末っ子。身長158cm。血液型はO型・Rh-。秘書技能検定2級を取得している。早口言葉が苦手で、声優と呼ばれることに引け目を感じている。好きなアニメは『聖闘士星矢』、『ついでにとんちんかん』。一番好きなアーティストはGLAYで、ギターのHISASHIを崇拝している。他にaccess、L'Arc〜en〜Ciel、aikoなどを好む。尊敬する役者は市原悦子。ラジオ番組に対して非常に強い思い入れを持っている。文化放送アナウンサー斉藤一美の番組『斉藤一美のとんカツワイド』を聴いてラジオ好きになり、ハガキ職人でもあった。自身が出演していた『新らっきー☆ちゃんねる』にも128枚のハガキを送っていたが、毎回ボツにされており、自身もそれを番組内でネタにしていた。月刊コミックラッシュで2009年8月号より、自身をモチーフとする漫画「声優劇場 パプリオーン! みずはらさん」の監修を行っている。2010年6月26日、自身の誕生日と同時にtwitterデビュー。同年10月31日、デビューから所属していたメディアフォースを退所しフリーとなる。翌年5月1日、アクロス エンタテインメント所属となるが、2015年4月に退社。『らき☆すた』にて演じた日下部みさおは、例えば第18話でケーキを落とした際に発した「菌が付かないんだってば!」という台詞の語尾の「ば」が「ヴぁ」に聞こえるなど、全体的に舌足らずで愛嬌のある喋り方であったため、『らき☆すた キャラクターソング Vol.009 背景コンビ』では曲の後半でネタとして使われ、『キャラクターソング Vol.013 日下部みさお』では曲のタイトルになっている。みさおの特徴的な声色は、水原が役作りで悩んでいた頃にみさおが夢の中に登場し、その時のみさおの声を真似したら音響監督からOKが出たものだという。『かなめも』は、原作を読んでおり、自分がキャスティングされたことに驚いたという。そして、裏表を使い分けるリアリストな少女：天野咲妃役を演じた。