木下グループホールディングス所属。ITTF世界ランキング最高位は男子シングルス4位、混合ダブルス1位。団体でのオリンピックメダリスト。卓球競技混合ダブルスの初代オリンピック金メダリスト。卓球競技初オリンピック世界初の三種目トリプルメダリスト。全日本選手権シングルス史上初10回優勝。ダブルス自身史上最多タイ7回優勝。史上最多タイ10回決勝進出者。ジャパンTOP12最多タイ決勝進出者。ジュニアの部優勝最多タイ記録。さい頃はサッカーやバスケットボール、バレーボールなど様々なスポーツをしており何をしても万能なタイプだったという。中学2年生の時にプロレスを見て以来プロレスラーに憧れていた時期もある、デスマッチの大仁田厚や大日本プロレスからWWEまで幅広くファンになった。両親が卓球経験者であり、兄と妹がいる、父が代表を務める豊田町卓球スポーツ少年団に第1期生として入って5歳から卓球を始める。バンビの部(小学校2年生以下)で準優勝し本格的に卓球の道に進んだ。翌年バンビの部で優勝するとその後もカブ、カデットの部と優勝を重ね、中学になると卓球面での環境を考え、福原愛などを擁する青森山田中学校に転校、青森で寮住まいをすることになった。東アジアホープス男子団体では初代金メダルに貢献した。シングルスの結果は不明。アジアカデット男子シングルスで日本初の金メダル獲得。中学2年で出場した2004年1月の全日本卓球選手権ジュニアの部で優勝(男子では史上最年少)し、また一般の部もランク入りし、その天性の柔らかいボールタッチから話題になった。15歳になり名門青森山田高校に進学した。世界ジュニア選手権では男子団体で日本初のメダル獲得(銅)。後に張本智和が更新)。当時の日本代表はアテネオリンピックなどの惨敗を受け、一気に若返りを図り水谷はその中でも最年少であった。当時の水谷は時として世界ランキング上位の選手に勝利を収めることもあった。代表の強化選手となったことで、岸川聖也らと共にドイツに留学。ドイツリーグの1部(ブンデスリーガ)でプレーして、一年の大半をドイツで過ごした。イタリアンの店で、3〜4ユーロのピザとコーラという食生活で高校1年の時に右脛を疲労骨折。半年間も卓球から離れた。その後バランスの良い食生活の改善に心がけた。2005世界ジュニア選手権男子団体で日本初の金メダルに貢献。男子シングルス日本初の銀メダル獲得。より日中関係が悪化し上海で行なわれたこの大会で大半の観客が水谷の相手選手である荘智淵に声援を送る中での勝利であった。同じ年に行われたアジア選手権では当時世界ランク2位、アテネオリンピック銀メダリストである王皓(中国)を破るなど日本の若きエースとなっていた。世界ジュニア選手権では団体で日本初の金メダルに貢献した。2006年初頭には足を疲労骨折するなどのトラブルもあった。2006年(平成18年)度の全日本卓球選手権では男子シングルス、男子ダブルス、男子ジュニアの部シングルスを制し3冠を達成した。男子ジュニアの部シングルスでは史上最多の3回優勝の記録を残した。後に張本智和が更新)。この優勝で2007年クロアチア・ザグレブでの世界卓球選手権(シングルス)の出場が決定した。2007世界選手権では男子ダブルスでペアである岸川と試合の45分前まで寝坊していて練習もできずにラバーを貼り直して試合に望んだにもかかわらず、相手中国の馬龍ペアに勝利していたことが判明。2007年/2008年シーズンはドイツリーグの1部(ブンデスリーグ)のデュッセルドルフに加入。アジアジュニア卓球選手権では、日本団体初の金メダルに貢献。初のオリンピック2008年の北京オリンピックの男子団体準決勝では2-3でドイツに敗れ5位入賞、シングルスでは世界選手権シングルス銅メダルのギリシャのクレアンガに敗れベスト32。岸川聖也とのダブルスで銅メダルを獲得した。その後に続いた中国オープン、荻村杯では同ダブルスで連続優勝している。この年から中国の中国スーパーリーグの浙商銀行に加入。2008年中国スーパーリーグではオリンピック(2012)、ワールドカップ(2011)、世界選手権(2011、2013)で金メダルに輝いた張継科に勝利。2009年、韓国オープンにおいて準々決勝で朱世赫、準決勝でオフチャロフ、決勝で郝帥といった格上の強豪を次々と撃破し、優勝した。同年のアジア選手権団体戦では、中国との決勝戦で2-1先攻で迎えた水谷vs許听戦で、最終ゲーム10-7のマッチポイントからデュースに持ち込まれ逆転負けを喫したものの、中国の同年代に対し対等に戦った一戦であった。第5回東アジア競技大会では男子ダブルス準決勝で韓国のエースペアとの試合となりフルセットでは戦いに敗れて銅メダル。団体戦では世界ランク1位の中国の王皓を破るなどの活躍を見せ、2010年1月の世界ランキングで初めてトップ10入りを果たした。年を経るにつれ体の細さを補う筋力も徐々につき、本来後ろでプレーすることを好む選手だったが平成20年度の全日本では積極的に前に出て回り込む戦法を心がけ、優勝した。男子準決勝でも張一博にゲームカウント1-3のポイント7-9まで追い込まれながら、そこから粘りを見せて勝利し、決勝でも吉田をストレートで下し4連覇を果たした。2009ユニバーシアードベオグラード大会では、日本スポーツ選手団の主将を務めた。男子団体で銅メダルに貢献した。いった選手に毎年敗北の際まで追い詰められながらも逆転する、という精神的な強さを見せていた。敗れて5連覇はならなかったものの、シングルスにおいては初戦から圧倒的な力の差を見せつけ優勝し、史上初の男子シングルス5連覇を達成した。加入、この年ITTFワールドツアー・グランドファイナルで初優勝。2010年中国スーパーリーグでは世界選手権金メダル11個取得の王励勤選手に勝利。2010ワールドカップシングルスでは準決勝で中国の張継科との対戦となった。ゲームセット3ー0とリードしておりあと一本で勝利という場面でサービスのフォルトを取られ1ゲームを落とす。張継科に勢いが戻り4セット連取され逆転負けとなった。3位決定戦ではドイツのティモ・ボルとの対戦となり、3ー4で敗れ4位の結果となった。フォルクスワーゲンカップ広州では日本人初のシングルス銅メダル獲得となった。フォルクスワーゲンカップブラウンシュヴァイクでも2度目のシングルス銅メダル獲得。※フォルクスワーゲンカップは男女世界ランキング上位8名(各国1名)で行われる世界ランキングによる世界大会である。ITTFワールドツアーグランドファイナル男子シングルスでは日本人初の金メダル獲得。2010世界選抜対中国の世界選抜メンバーに選ばれる。2011年の全日本卓球選手権では男子シングルスで準決勝まで順当に勝ち上がるものの、決勝で高校3年生の吉村真晴にフルセットの末3-4で敗れ6連覇を阻まれた。先にチャンピオンシップポイント10ー7でリードしていたが、吉村真晴が4連続ポイントと逆転され2位の結果となった。2011年ワールドカップシングルスでは3位決定戦で韓国のチュ・セヒョクに敗れて4位。男子シングルスベスト8の成績を残した。フォルクスワーゲンカップシングルス3回連続銅メダル獲得。2011世界選抜対中国の世界選抜メンバーに選ばれる。ロンドンオリンピック以降2012年に明治大学を卒業後、4月1日付でスヴェンソンと所属契約を結んだことがこのほど日本卓球協会より発表された。7月4日付世界ランキングで自己最高の5位となり、ロンドンオリンピックではメダルを期待され自身もメダル目標に掲げて男子シングルスで第3シードとして挑んだ。初戦の3回戦は突破したものの4回戦で敗退しベスト16。マイナス要素を考えすぎ、不眠症になり無理やり飲酒をし睡眠をとるなどしたためにプレーに影響が出た。