東京都八王子市の生まれ。中央大学経済学部に在学中の1989年に演劇集団キャラメルボックスに入団。舞台俳優としてたちまち頭角を現し、『ディアーフレンズ・ジェントルハーツ』90、『また逢おうと竜馬は言った』92など数々の舞台で活躍する。三谷幸喜脚本の日本テレビ『コマクノキモチ』92でドラマ初出演し、95年、中国との共同制作によるNHK開局70周年記念作『大地の子』の主役、中国残留孤児の陸一心役に抜擢される。台詞の８割が中国語にもかかわらず、上川は中国人と間違われるほどの熱演を見せ、一般にはまったくの無名だったが、一気に第一線に躍り出る。この人気を受けて、翌96年にはNHK連続テレビ小説『ひまわり』に出演。松嶋菜々子演じるヒロイン・のぞみの司法修士生仲間の星野雄治役で、のぞみの恋人との三角関係を繰り広げた。その後も、TBS『竜馬がゆく』97で主役の坂本龍馬、NHK大河ドラマ『毛利元就』97で毛利元就の長男・隆元などを演じ、舞台でのめざましい活躍と並行して、映像ジャンルでも成功を収める。映画初出演は、東京の下町に暮らす人々の人間模様を描いた97年の市川準監督「東京夜曲」。作家志望の青年・朝倉を演じ、高崎映画祭の新人男優賞を受賞した。テレビドラマでの活躍はさらに続き、NHK『少年たち』98～02、『逃亡』02、フジテレビ『お水の花道』99・01、『白い巨塔』03、TBS『青の時代』98、『陰の季節』00～04、『白い影』01、WOWOW『祖国』05などで引く手あまたの状態。2006年にはNHK大河ドラマ『功名が辻』に仲間由紀恵とともに主演、戦国時代を生き抜き土佐藩の基礎を築いた武将・山内一豊を熱演した。ドラマの活躍に比べて映画出演は控えめだが、山崎貴監督「ALWAYS／続・三丁目の夕日」07、中島哲也監督「パコと魔法の絵本」08、若松節朗監督「沈まぬ太陽」09などで、出番は多くないものの確かな演技力で存在感を発揮している。ドラマはほかに、フジテレビ『スワンの馬鹿！・こづかい３万円の恋』07、NHK『龍馬伝』10、WOWOW『マークスの山』10、『パンドラⅢ・革命前夜』11、テレビ朝日『火車』11など。12年のNHK大河ドラマ『平清盛』では、平盛国を演じる。09年にキャラメルボックスを退団、元舞台女優の女性と結婚した。