1992年，担任电视剧《世界奇妙物语第三期》的编剧。1995年，担任电视剧《留萌交番日记》的编剧。2002年，执导个人首部电视剧《优香座シネマ》。2003年，执导由
国分太一、
坂井真纪合作主演的电视剧《演技者 いい感じに电気が消える家》。2004年，与
丰岛圭介、高田弘隆等联合执导电视剧《东京少女 68FILMS》。
2005年5月11日，由其执导的喜剧电影《
在池中》上映，该片由
小田切让、
松尾铃木共同主演；同年，执导由
上野树里、
苍井优、
岩松了联合主演的喜剧电影《
乌龟意外之速游》，该片讲述了23岁的普通的家庭主妇片仓麻雀意外被招聘成为“间谍”的故事。
2006年，执导以“时效成立事件”为主题的推理喜剧《
时效警察》；同年，由其执导的喜剧电影《
废柴三人组》上映。2007年，执导由小田切让、
麻生久美子共同主演的电视剧《
归来的时效警察》，该剧是2005年播出的电视剧《时效警察》的续篇；同年，执导由
伊势谷友介、
菊地凛子、松尾铃木联袂主演的喜剧电影《图鉴上未记载的虫子》。
2008年，与
大根仁、
山下敦弘等联合执导电视剧《
周刊 真木阳子》；同年，与田中诚、本田隆一等联合执导电视剧《秃子》。2009年，自编自导由麻生久美子、
加濑亮共同主演的喜剧电影《
速成沼泽》。2010年，执导由小田切让、
栗山千明等联合主演的警侦剧《
热海的搜查官》。
2013年，执导根据星野智幸同名小说改编的剧情电影《
是我是我》，该片改编自作家星野智幸超现实荒诞小说《俺俺》，讲述了青年永野偷走邻座白领的手机，之后假冒那个名叫大树之人的身份从对方母亲那里骗钱的故事，获得第15届远东国际电影节观众奖；同年，由其执导的悬疑犯罪剧《变身访问者的忧郁》播出。
2018年，执导由
阿部隆史、
吉冈里帆合作主演的喜剧《提高音量！我根本听不懂你在唱什么！！》。2019年，由其执导的电视剧《
时效警察2019》播出。
三木聪是日本影视圈中独树一帜的喜剧怪才，他意味着出离一般人想象范围的搞怪能力，意味着层出不穷的好玩点子，意味着对生活别样的审视与回味。他的作品从来不走大制作路线，因此也不落窠臼，永远无法预测。他的“脱力系”既非黑色戏谑，也非讽刺幽默，而是像周星驰无厘头喜剧的亚文化现象一样，培养了专属自己的狂热“脱力系”OTAKU群体。在电视剧《时效警察》中，他将脱力系喜剧的魅力和真髓发挥得淋漓尽致。在电影《速成沼泽》中，该片充满“三木流”的喜剧奇趣，节奏的掌握恰到好处，剧情上则完全漠视逻辑（腾讯娱乐、解放网、搜狐娱乐、《外滩画报》综合评）。