モデルシーンの頂点に立ちながらも、彼の探求心は静止画の枠組みに留まりませんでした。本格的な俳優への扉を開いたのは、1999年に公開された是枝裕和監督の映画『ワンダフルライフ』での俳優デビューです。「死者が天国へ行く前に、人生で最も大切な思い出を一つだけ選ぶ」という実験的なプロットのなかで、伊勢谷はまだ演技経験が浅いながらも、剥き出しの人間性と繊細な内面をスクリーンに焼き付けました。同じくモデル出身であったARATA（現・井浦新）らと共に放った透明感あふれる存在感は、国内外の映画賞で絶賛され、彼をインディペンデント映画の旗手へと押し上げます。
その後、2004年に映画界の話題を独占したのが、紀里谷和明監督のヴィジュアルファンタジー大作『CASSHERN』での映画単独初主演でした。タツノコプロのアニメ『新造人間キャシャーン』を原作に、CGと実写を前衛的に融合させた本作において、伊勢谷が演じた主人公・東鉄也のビジュアルは後世に語り継がれる伝説となります。
筋骨隆々でありながら無駄な脂肪を削ぎ落とした彫刻のような肉体美、戦いの宿命を背負った青年の苦悩を物語る射抜くような瞳。当時20代後半を迎えていた伊勢谷の肉体と精神の張りが、映画のスタイリッシュな色彩設計と奇跡的な親和性を見せていました。現場関係者の証言によると、現場での伊勢谷はストイックに身体を絞り込み、モニターに映る陰影の角度一つにまで藝大生としての鋭い美的感覚を発揮していたといいます。「CASSHERN当時のかっこよさは、邦画史上でも異次元のレベル」と今なお映画ファンが口を揃えるのも必然と言えるでしょう。
