東京都小金井市の生まれ。３歳下の妹が女優の中山忍。中学１年生の時に原宿でスカウトされて芸能界入り。1985年１月、好奇心旺盛な男子中学生３人組を中心に、思春期の性を明るくコメディタッチで描いたTBS『毎度おさわがせします』で主要人物のひとり、森のどかを演じ、テレビドラマに初出演する。14歳とは思えない大人びた雰囲気に加え、下着姿なども大胆に披露。同年６月にはシングル『Ｃ』で歌手デビューし、８月のTBS『夏・体験物語』、12月の『毎度おさわがせします』のパート２と、中高生の間でたちまちアイドルとしての地位を確立する。さらに同年12月公開の那須博之監督「ビー・バップ・ハイスクール」で映画初出演。清水宏次朗と仲村トオルが演じる不良高校生コンビのマドンナ・泉今日子を演じた。主題歌も中山が担当したが、以降も女優業と並行して歌手活動を積極的に行ない、『ツイてるねノッてるね』『WAKU WAKUさせて』『You're My Only Shinin' Star』など多くのヒット曲をリリースして、トップアイドルの座につく。シリーズ化された『ビー・バップ・ハイスクール』には第２作の『高校与太郎哀歌（エレジー）』96まで出演。以降はテレビドラマを中心に、アイドル“中山美穂”役を演じて“ミポリン”という愛称を生んだTBS『ママはアイドル！』87を始め、同局『卒業』90、『もしも願いが叶うなら』94、フジテレビ『君の瞳に恋してる！』89、『すてきな片想い』90、『For You』95、『眠れる森』98、『ホーム＆アウェイ』02、NHK大河ドラマ『信長』92などで活躍を続ける。一方、映画は金子修介監督「どっちにするの。」89、ホイチョイ・プロダクションの映画第３作「波の数だけ抱きしめて」91を経て、95年の岩井俊二監督「Love Letter」で転機を迎える。亡き恋人に宛てたラブレターをきっかけに、過去と現在を繋ぐふたつの恋を描いた物語で、中山は一人二役のヒロインを演じ確かな演技力を証明。ブルーリボン賞主演女優賞などを受賞し、本格派女優への脱皮に成功した。その後、竹中直人監督「東京日和」97に主演したのち、2002年に芥川賞作家でミュージシャンの辻仁成と結婚。住居をパリに移し、04年に男子を出産するなど表舞台から遠ざかるが、10年に辻の小説を映画化したイ・ジェハン監督「サヨナライツカ」で12年ぶりにスクリーン復帰。健在ぶりを示した。