1997年、東京大学工学部電子情報工学科卒業。2002年、同大学院博士号（工学博士）を取得。
2002年より、産業技術総合研究所の研究員、2005年8月よりスタンフォード大学の客員研究員を経て、2007年より東京大学大学院工学系研究科総合研究機構／知の構造化センター／技術経営戦略学専攻准教授。2014年より、東京大学大学院工学系研究科技術経営戦略学専攻/グローバル消費インテリジェンス寄付講座の共同代表・特任准教授。2019年より、東京大学大学院工学系研究科技術経営戦略学専攻／人工物工学研究センター教授。

専門分野は人工知能、深層学習、ウェブマイニング。人工知能学会からは論文賞（2002年）、創立20周年記念事業賞（2006年）、現場イノベーション賞（2011年）、功労賞（2013年）を受賞。人工知能学会では2012年から編集委員長・理事、2014年から倫理委員長、2020～2022年人工知能学会・情報処理学会理事を歴任。2017年より日本ディープラーニング協会理事長、2019年よりソフトバンクグループ社外取締役に就任。2021年より新しい資本主義実現会議の有識者構成員、2023年よりAI戦略会議座長を務める。

シリコンバレーに並ぶエコシステムの実現を目指し、東京大学で人工知能の研究を行う。ディープラーニング（深層学習）を中心とする技術で、人工知能の研究領域に大きなブレークスルーを生み出すこと、ウェブやものづくりなどの産業に大きなインパクトをもたらすことを目指す。松尾研究室では、多くの学生やスタッフが日々新しい技術の研究と応用を行っている。 人工知能（仮説推論、機械学習）、自然言語処理、社会ネットワーク分析、ソーシャルメディア、ウェブマイニング、ビジネスモデルの研究を行う。現在は、ディープラーニングの研究に注力して研究を推進中。