初登場は「腕組登場 マットの魔術師の巻」。スポーツにかけて万能を誇る集団。クラスは9組。スポーツで大活躍するためか色男組に次いで女子にモテており、運動神経抜群のためか番組に次いで喧嘩も強いと割と万能集団。他の組と同じく勉強は苦手。“スポーツだけは長けている”という唯一の自信を保つために、授業中でも教室の隅でトレーニングをしている（石砂先生曰く「スポーツ以外は大人しい」）。スポーツ大会では奇面組と対決することが多く、出番もライバル集団の中では多いほうだった。アニメでの制服の色は青。『キャラレル・ワールド』の回におけるパラレルワールドの腕組は変態集団になっており、本来の世界の零と唯は二人してずっこけ、「わかっていても、やっぱりこの落差は耐え難い（唯曰く）」とうろたえていた。原作では最初の高校受験では駆津校を受けるものの、塊がバスケットボール大会での後遺症で錯乱状態に陥って失踪したため、メンバー全員大遅刻で留年。翌年の受験で奇面組同様一先高校を受験し、のちに応生高校との統合を経て一応高校に進学する。
ソビエト連邦時代にはアレクサンダー・ベルヤトコフスキーの指導の下、14歳のときにソ連ジュニア選手権で優勝。またソ連邦崩壊後の1993年にはジュニア世界自転車選手権で銅メダルの獲得実績がある。だがその後、結婚、出産のため現役を引退。しかし1998年に現役復帰を決意。また練習拠点をモスクワへと移した。そこでコーチであるスコビエフ・スタニスラブの指導を受け、めきめきと力をつけていく。一方でその決意に夫は理解を示さなかったことから、後に離婚することになる。ちなみに2001年までは、ナタリア・マルコフニチェンコという登録名だった。さらに女子短距離界では圧倒的強さを誇ったフランスのフェリシア・バランジェが、2000年シドニーオリンピックを最後に引退。その後を受け継ぐ形で圧倒的な強さを誇るようになっていく。世界自転車選手権では500mタイムトライアルで優勝5回、同大会スプリントでは優勝3回の実績を誇る。また2004年アテネオリンピック・500mタイムトライアルでは銅メダルを獲得。また同大会のスプリントでは5位だった。とりわけ、500mタイムトライアルでは、オーストラリアのアンナ・メアレスと長年に亘って優勝争いを演じ、加えて同種目の世界記録も互いに更新しあう形が続いている。またスプリントではメアレスの他、イギリスのヴィクトリア・ペンドルドンと最近ではライバル関係にあり、また以前は友人関係でもあるという、ロシアのスヴェトラナ・グランコフスカヤと毎年のように優勝争いを演じた。2008年北京オリンピックを最後に第一線から退いた。
成婚8年後の2001年（平成13年）12月1日、妃雅子との間に第1子で長女の敬宮愛子内親王が誕生した。皇太子となってからは、たびたび外国を訪問し、皇室外交の進展を図っている。また、公務の傍ら1991年（平成3年）9月には、イギリスの名門の一つであるケンブリッジ大学から名誉法学博士号を授与されている。そして1992年（平成4年）4月からは学習院大学史料館客員研究員の委嘱を受け、日本中世史の研究を続けている。学習院女子大学国際文化交流学部の授業では、「北米文化の源流・イギリスの社会と文化」や「オックスフォードにおける学生生活」について講義を行い、名誉総裁として臨席した世界水フォーラムの開会式では、「京都と地方を結ぶ水の道」や「江戸と水運」と題した講演を行なっている。2004年（平成16年）5月10日、欧州3か国歴訪を前にした会見内で「雅子のキャリアや、そのことに基づいた雅子の人格を否定するような動きがあったことも事実です」と発言した（いわゆる「人格否定発言」）。同発言は、皇太子一家と皇室・宮内庁の間に不和があることを浮き彫りにし、大きな反響を呼んだ。同年7月に妃雅子が療養している事実が正式に発表され、以後徳仁親王は単独で公務・祭祀を行うことがほとんどとなった。2007年（平成19年）3月27日、定期健康診断で十二指腸にポリープが発見された。同年5月には良性と診断されたが、同年6月6日に十二指腸ポリープの内視鏡による切除手術を東京都文京区の東京大学医学部附属病院で受けた。同年11月1日、国連「水と衛生に関する諮問委員会」の名誉総裁に就任。日本の皇族が国連などの常設の国際機関の役職に就くのは初である。2009年（平成21年）11月8日から11月20日まで来日した彭麗媛が団長を務める中国人民解放軍総政治部の歌舞団が東京と札幌で中国歌劇『木蘭詩編』を学習院大学で公演した際に皇太子は私的に会場を訪れて2階VIP席で彭麗媛と隣り合わせの席で観劇して言葉を交わしており、彭麗媛の夫の習近平の天皇特例会見と同様に「中華人民共和国による皇室の政治的利用」と批判されることになった。2013年（平成25年）3月6日、米国ニューヨークの国連本部で開かれた「水と災害に関する特別会合」で、英語で基調講演を行った。同会合は、東日本大震災（東北地方太平洋沖地震）など世界的な水災害の増加を受け国連で初めて開催された会合である。2016年（平成28年）1月28日、第125代天皇明仁が皇后美智子（当時）とともに第二次世界大戦戦没者慰霊を目的としたフィリピン訪問のために不在であったことから、第3次安倍第1次改造内閣で経済財政担当大臣が甘利明から石原伸晃へ交代したことに伴う閣僚の認証官認証式を国事行為臨時代行の形で執り行った。