2001年，参加由JUNON杂志举办的第14届JUNON美少年评选，获得大赛冠军。2002年，首次参演部励志剧《天体观测》，并正式以演员身份出道。

2003年，和Wentz瑛士组成团体WaT；同年10月，与竹野内丰、市原隼人、永井大合作出演的校园励志剧《不良少年回母校》播出。

2004年2月，WaT发行首张CD专辑《卒业TIME》。7月6日，与市原隼人、石原里美 、中尾明庆合作出演的青春励志《水男孩2》播出，他在片中饰演能和女生打成一片的高中生岩田岩男 。

2005年1月15日，与仲间由纪惠、龟梨和也、赤西仁等演员合作出演的校园励志喜剧《极道鲜师2》播出，在剧中饰演女主久美子的学生武田启太。

2006年7月15日，与藤泽恵麻合作主演的喜剧片《恋爱情结》上映，小池澈平在片中饰演可爱的高中生大谷敦士；同年4月13日，与坂口宪二、稻森泉的合作出演的医疗剧《医龙》首播

，他在剧中饰演明真大学附属医院胸部心脏外科的医生伊集院登 。

2007年，在主演的sp特别剧《致未曾谋面的父母》中演绎一位盲人歌手新垣勉的生活轨迹；10月，在医疗剧《医龙2》中继续饰演伊集院登。2009年6月24日，发售单曲《只有你》。

2008年7月8日，主演的悬疑喜剧《少年刑警》首播，他在剧中饰演娃娃脸刑警，天生热心肠和充满正义感的柴田竹虎；同年，参演的剧情片《无家可归的中学生》上映，他在片中饰演性格开朗又平凡的初中二年级学生田村裕，并凭借此影片获得第32届日本电影学院奖最佳新人奖。

2010年7月3日，主演的职业剧《铁骨》首播，小池澈平在剧中饰演富有正义感和责任心的富岛平太；同年，再次出演医疗剧《医龙3》。

2011年2月21日，与佐藤隆太、佐佐木希、中村苍合作出演的爱情剧《求婚兄弟》播出；11月，在主演的喜剧片《上班族NEO》中饰演初出茅庐的职场新人新城诚。

2012年7月2日，参演的爱情剧《浪花少年侦探团》首播，饰演大阪府警搜查一科刑警新藤修平。2013年4月1日，由能年玲奈、小泉今日子担任主演的庭喜剧《海女》播出，小池澈平在剧中饰演个性温柔但优柔寡断的足立洋。

2014年1月9日，参演的医疗剧《医龙4》播出；10月4日，主演的灾难剧《边界线》首播，剧中饰演怀着成为公务员并多多赚钱目标的青年川端明。

2015年12月6日，WaT组合时隔8年在东京举办演出会“WaT 10th Anniversary Live 2015”。2016年2月11日宣布WaT正式解散。2017年4月14日，与藤原龙也、户田惠梨香等演员合作出演的犯罪悬疑剧《反转》（又名《逆转重生》）播出。