東京都中野区出身。中野区立桃園第三小学校（現・中野区立桃花小学校）卒、東京文化中学校（現・新渡戸文化中学校）卒、大原高等学院（現・大原学園高等学校）通信科卒。幼児の頃から、芸能事務所「セントラル子供タレント」に所属し、「中川薔子（なかがわ しょうこ）」の芸名で子役として活動開始[13]。

2001年、ポポロガールオーディションでグランプリを受賞。同年、誕生日記念に母・桂子の提案でジャッキー・チェンが経営する香港のレストランを訪ねた際に、チェンと遭遇し感激して泣いているとチェンが「大丈夫?」と声を掛けたことをきっかけにジャッキー・チェン事務所日本支部に所属することとなる[14][15]。

2002年にはミス週刊少年マガジン2002に選ばれるも[16]、同年にジャッキー・チェン日本支部が閉じられることになり、香港まで契約解除の書類を書きに行くこととなる[14][15]。その後、11月頃にワタナベエンターテインメントへ移籍。中川曰く、「この時期は仕事がなくてクビになりかけた」というほど不遇だったという[17]。2004年11月7日、『特捜戦隊デカレンジャー』の第38話に「ファルファ星人ヤーコ」役で出演。

2004年11月より公式ブログ『しょこたん☆ぶろぐ』を開始。2005年3月、『考えるヒト』（フジテレビ系）にゲストパネラーとして出演。同年5月から、同番組をマイナーチェンジした『考えるヒトコマ』ではレギュラーとして出演。また、同じく5月から1年弱にわたって、TBS系『王様のブランチ』にレギュラー出演する。9月には『しょこたん☆ぶろぐ』の内容をまとめた同名の書籍『しょこたん☆ぶろぐ』をゴマブックスより刊行。2006年、ファンクラブ「ギザぴんく!」を発足。同年7月、1stシングル「Brilliant Dream」（ソニー・ミュージックレコーズ）でアーティストデビュー。

2007年6月、3rdシングル「空色デイズ」をリリース。オリコン週間シングルチャートで初登場3位を記録し、累計約7万枚。デビューシングルから3作連続で売上が上昇。10月20日には、渋谷C.C.Lemonホールで自身初のソロライブ「貪欲☆まつり」を開催。チケットは25秒で完売した。大晦日には、『第58回NHK紅白歌合戦』（NHK）に初出場し、「空色デイズ」を披露した。日本における2大検索サイトYahoo! JAPANおよびGoogleにおいて、2007年度の検索ランキング・著名人部門で1位となる。2008年5月から全国5都市6会場で全10公演（追加公演を含む）の、自身初の全国ツアーを行った[注 3]。また、8月より初の作品展「続く世界」を開催。

2009年、ファッションブランド「mmts」を立ち上げる。同年8月1日に、香港でのアニメイベント「香港動漫節2009」に出演し、初の香港ライブを行う。8月25日には、『バラエティーニュース キミハ・ブレイク 飛び出せ!科学くんSP』（TBSテレビ）の企画で、海洋研究開発機構所有の有人潜水調査船「しんかい6500」に搭乗し、岩手県三陸沖の日本海溝の海底（水深5,351メートル）への着底に成功した。また、深海生物の観察と捕獲のミッションを遂行した。芸能人の「しんかい」への搭乗は緒形拳[18]以来2人目。10月24日に、初の日本武道館ワンマンライブ「中川翔子 超貪欲☆まつり IN 日本武道館」を開催。チケットは即完売した。

2010年3月3日発売の少女漫画雑誌『なかよし』2010年4月号で、原明日美作画による「中川翔子物語?空色デイズ?」の連載が開始される。同年6月3日発売の同誌2010年7月号まで連載された。8月18日、12thシングル「フライングヒューマノイド」をリリース。10作連続トップ10入りとなる。10月2日、初主演映画『恋の正しい方法は本にも設計図にも載っていない』が劇場公開。

2011年3月12日公開のディズニー映画『塔の上のラプンツェル』において、主人公ラプンツェルの日本語吹き替えを担当[注 4]。初めて長編アニメーションで主人公を演じた。10月22日、ジャッキー・チェンらと共に第24回東京国際映画祭に出演。2012年4月12日、香港政府観光局から「香港観光親善大使」に任命される。同年7月から、初のアジアツアーを開催。「2012年ベストビューティストアワード」タレント部門を受賞。

2013年5月1日、BEAMSとの共同プロデュースブランド「中川翔子×BEAMS『mmts（マミタス）』」のリアルショップが中野ブロードウェイ3階にオープン[19]。7月6日、母の桂子がTwitterで捨て猫などの保護運動を行っていることに触発されTwitterでの発信を開始[20]。2014年1月25日公開の映画『ヌイグルマーZ』に主演[21][22]。

2015年3月31日、自身のエッセイ『ねこのあしあと』を基にしたテレビアニメ『おまかせ!みらくるキャット団』がNHK Eテレで開始[23]。4月29日、でんぱ組.incとのコラボレーションしょこたん?でんぱ組としてシングル「PUNCH LINE!」を発売。

2020年4月、YouTubeチャンネル『中川翔子の「ヲ」』を開設[24][25][26]。

2021年6月13日に東京ドームで行われた総合格闘技「RIZIN28」では、朝倉海対渡部修斗戦でRIZIN史上初となる女性リングアナウンサー・実況解説者を務めた[27][28]。同年8月28日にYouTubeで公開した白ビキニの水着動画が[29]、10月19日に1000万回の再生回数を達成したことを自身のTwitterで報告し[30]、反響を呼んだ[31][32]。さらにはYouTubeチャンネルの登録者数が10万人増えて、70万人を突破したことも公表された[33][34]。

2022年9月2日、全身麻酔での手術を受けることを明らかにする[35]。