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父親はJSLの三菱に在籍していたサッカー選手で、幼少時からサッカーに親しむ。
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父親の転勤のため幼少期から中学入学受験までをスイスのチューリッヒで過ごしてきた帰国子女だが、学年に日本人は自分1人だけで人種差別なども経験した[http://sankei.jp.msn.com/entertainments/entertainers/080123/tnr0801230810000-n2.htm 「水嶋ヒロ イケメン俳優 新たな挑戦」(産経ニュース)]。
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中学入学時に日本に帰国するが、そのときには日本語がまったくできず「幼稚園児レベル」で今度は日本でのコミュニケーションに悩むこととなった。
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帰国子女枠で入学した桐蔭学園高校ではサッカー部に所属し、故障に悩まされながらも高校3年生のときに出場した全国高校選手権では準決勝まで進み国見高校と対戦したが平山相太などにゴールを決められ敗退している。
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大学でもサッカー部に入るものの、足の故障のため競技を続けることを早々に断念した[http://web.archive.org/web/20071026062237/http://www.soccer-m.ne.jp/soccerdays/mizushima-01.html Vol.1]、 [http://web.archive.org/web/20071026104038/www.soccer-m.ne.jp/soccerdays/mizushima-02.html Vol.2]、 [http://web.archive.org/web/20071026051730/www.soccer-m.ne.jp/soccerdays/mizushima-03.html Vol.3]- WEBサッカーマガジン|サッカーデイズ。
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大学進学後、芸能事務所にスカウトされファッションモデルとして活動したのち、2005年にモデル事務所、ギグマネジメントジャパンから現在の所属事務所、研音に移籍。
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テレビ初出演は、『くりぃむナントカ』の『合コン日本シリーズ』(2004年11月23日、30日放送)。
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ドラマ『ごくせん』(日本テレビ系)で俳優として本格的にデビュー。
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その後、2006年の『仮面ライダーカブト』主演で注目を集め、さらに翌年の『花ざかりの君たちへ〜イケメン♂パラダイス〜』で特撮ファン以外の層にも認知されることとなった。
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自身もインタビューで「雰囲気や声を評価してくれる方が多い」と言っているが、特に声については『花ざかりの君たちへ〜イケメン♂パラダイス〜』の共演者(小栗旬)や『絶対彼氏。
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#テレビドラマ|絶対彼氏〜完全無欠の恋人ロボット〜』の共演者(相武紗季)らから「声がいい」「声がエロい」と言われている。
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なお、その声や役からクールなイメージを持たれることが多いが、トーク番組やバラエティ番組に出ている時は天然ボケぶりを披露することが多く、共演者からも「天然」と言われることが多々ある。
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フジテレビの斉藤舞子アナと水嶋ヒロの姉は同じ慶應義塾大学の同級生で昔はよく水嶋の家へ遊びに行っていたため、水嶋のことをデビュー前からよく知っていて、よく可愛がっていたとのこと。
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また「水嶋を好きになる可能性の有無」については、親友の弟であるため、好きになることはないと断言したあっぱれ!!さんま新教授 2008年11月23日放送。
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とても音楽が好きで、雑誌に自身の好きなアーティストを紹介するコーナーを持っていた。
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最終回ではKREVAとTeddyLoidをフィーチャーしている。
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BiDaN Vol.142「水島ヒロのMUSIC ON! MAGAZINE」。
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2009年4月3日、2009年2月22日にシンガーソングライター絢香と入籍していたことを会見にて発表。