和洋女子短大国文科卒。父親・丹真は戦前、田村秋子らが創立した劇団新東京に属した俳優。5歳よりバレエ、日本舞踊を習う。学生時代は永井荷風を愛読し、荷風の日記のとおり一日を過ごしてみたこともあったと語っている。また高校時代は足繁く歌舞伎に通い、三代目市川壽海の大ファンだった。

1961年、田村の推薦で文学座付属研究所を受験し合格、第一期研究生として入所する。同期に草野大悟、岸田森、寺田農、樹木希林らがいる。1962年、文学座研究生として『光明皇后』で初舞台。

1963年、『母 』で映画初出演を果たす（武智鉄二と裸のラブシーンを演じ、話題になった）。同年、テレビドラマでは『孤独の賭け』の演技が話題となる。

1964年、『二匹の牝犬』にて映画初主演（作品自体はヒットしたが、この頃のイメージは強烈過ぎ、共演した緑魔子とともに「悪女スター」とレッテルを貼られた）。

1965年、文学座座員に昇格。「杉村春子の後継者」と謳われる。

1967年、同じ文学座所属だった細川俊之と結婚し、一女をもうける（彼女はMAH名義で音楽活動を続けており、一時期は小川主演のドラマにも出演したこともある。）。

1971年、退座。劇団のありかたに疑問を持ったのが原因といわれているが、かつてはインタビューにて「女優に向かないと思い退団した」と語ったことがある（「その後オファーがいろいろあり、興味のある役に出会えたことで復帰を決めた」とも語っていた）。

1970年代には『浮世絵 女ねずみ小僧』を筆頭とするシリーズものに出演して人気を集める。

1973年、細川と離婚。その後、近藤正臣ら数名との噂が報じられる。

1973年に放送開始になった主演番組TBSのアイフル大作戦ではエンディング主題歌『Viva!アイフル』を歌いレコード化され日本コロムビアから発売された。

1981年6月に文学座で同期だった橋爪功と舞台『ドリスとジョージ』で共演、これがきっかけで急速に結びつき9月に婚約発表。そのときの心境を「週刊平凡」81年10月15日号で「具体的には何も決まっていない。結婚はしてもいいがいつするかも……実験婚約です（笑）」（小川）「年のせいか臆病になって……婚約という状態が一番いい（中略）場合によっては婚約を破棄するかもしれない」（橋爪）と語っていた。大人の愛の形と世間をにぎわせたが、結局は結婚に至らぬまま1985年に婚約解消。

近年は女優として目立った活動はなかったが、真言宗の尼僧として得度していたことが判明したが、剃髪はしておらず、本人は女優業を辞めたつもりではないとのことである。現在、九州熊本の宗教家団体及びその他関連との関わりは一切ない。