1907年1月23日、東京生まれ。後に京都大学教授となる小川琢治の三男。

1927年、京都大学卒

1929年、京都大学講師

1932年、結婚。妻の姓湯川を名乗る

1933年、大阪大学講師となり仁科芳雄の指導を受ける

1935年、核の交換力の存在を前提として素粒子の相互作用について画期的な理論を発表し、「中間子」の存在を予言。この中間子は、量子論によると、質量は電子の200倍、放射性で、寿命はきわめて短いであろうと予測。

1936年、アンダーソン（1936年ノーベル物理学賞受賞）が中間子を発見、μ中間子と呼ばれたが、いくつかの点で予言と一致しなかった。

1940年、京都大学教授

1947年、パウエルが宇宙線中から湯川が予言した中間子を発見。

1949年、コロンビア大学教授

同年、日本人初のノーベル賞（物理学賞）受賞者となる。

1953年、京都大学基礎物理学理学研究所初代所長

晩年まで、日本における素粒子物理学の指導者として活躍。

1981年9月8日 、永眠