東北大学に勤務していたころは、橋本嘉幸らとともに研究に従事していた。後年、橋本が亡くなり、学士会館で偲ぶ会が催された際には、野田哲生らとともに弔辞を述べている。
専門は薬学であり、衛生化学、分子毒性学、薬物代謝学といった分野を中心に研究している。具体的には、化学物質による毒性発現を研究しており、特にヒトをはじめとする動物においての、毒性発現の種差、性差、個体差について調査している。また、化学物質による生活習慣病の発症についての研究にも取り組んでいる。そのほか、異物代謝酵素について取り上げ、その多様性と薬効や毒性の発現について研究している。また、シトクロムP450について取り上げ、その発現や誘導機構についても研究している。長年に渡って化学発癌の研究を続けており、特に著名なものとしては、芳香族アミンの代謝と肝発癌の関連性の研究が知られている。従来、発癌性芳香族アミンの代謝的活性化経路については、アミノ基Nの水酸化、O-アシル化が重要であると予想されていた。しかし、代謝活性体は不安定で、代謝物としては確認されておらず、モデル化合物の合成に成功した者もいなかった。しかし、出川は4-アミノアゾベンゼン誘導体を試料に、代謝活性体と推測されるそれら化合物の合成に世界で初めて成功した。さらに、それらの化合物を化学的、生物学的に精査することで、発癌性芳香族アミンの代謝的活性化機構の解明に成功した。また、発癌剤活性化酵素の発現や誘導の多様性が、芳香族アミン系発癌剤に対する発癌感受性を支配する要因になることを明らかにした。これらの研究は高く評価され、1994年3月には日本薬学会奨励賞が授与されている。学会としては、日本癌学会、日本薬学会、日本毒性学会、日本環境変異原学会、日本薬物動態学会などに所属している。日本癌学会では、1992年1月より評議員を務めた。日本薬学会では、2002年2月から2010年1月まで、および、2013年1月から代議員を務めた。また、2004年4月から2007年3月にかけては、広報委員会委員長とJHS編集委員を務めた。2010年4月からは環境・衛生部会フォーラム委員会の委員を務めた。日本毒性学会の前身である日本トキシコロジー学会では、2005年1月から2007年12月までJ. Toxicol. Sci.編集委員を務めた。また、2009年1月からは評議員を務め、日本毒性学会に改組されてからも引き続き務めた。
奈良県吉野郡西吉野村（現五條市）出身。伊藤祐一郎の子に生まれ、陸軍航空本部長・第1師団長や留守航空兵団司令官を務めた堀丈夫陸軍中将の養子となる。明倫中学から1927年（昭和2年）4月、東京陸軍幼年学校に入り、1930年（昭和5年）3月から陸軍士官学校に進む。なお、この陸軍士官学校時代に、上海戦の陣地突破のケーススタディーより物量の前には精神主義が役に立たないという教訓を得、後の情報分析の基本的な考えとなった。1934年（昭和9年）6月卒業（士官候補生46期）。同年10月に騎兵少尉に任官。騎兵第26連隊に配属された堀は、1936年（昭和11年）10月に騎兵中尉に進級し、1937年（昭和12年）3月に騎兵第16連隊に移る。同年11月から陸軍騎兵学校丙種学生として学んだ後、1938年（昭和13年）3月から陸軍予科士官学校教官を務め、同7月に騎兵大尉に進級。1940年（昭和15年）12月に陸軍大学校に入り、1942年（昭和17年）11月卒業（陸大56期）。なお、同年（1942年）8月、陸大在学中に少佐進級。同年12月から陸軍戦車学校に勤務。1943年（昭和18年）4月から陸軍士官学校戦術教官。同年10月1日から大本営陸軍部第2部参謀として、大本営に勤務。ドイツ課とソ連課を経て（それぞれの課では両極端な分析方法を採用しており、それが後の分析手法に役立ったとの記録を残している）、アメリカ課に勤務。そこで、アメリカ軍戦法の研究に取り組み、その上陸作戦行動を科学的に分析して1944年（昭和19年）6月に『敵軍戦法早わかり』を完成させ、米軍への水際での突撃や夜間の銃剣突撃は自滅するので行わないようにという内容を伝達した。（内容自体の伝達は、同年3月16日から始めている。）この内容を最初に伝達した師団に、ペリリューの戦いで有名な中川州男がいた。なお、この『敵軍戦法早わかり』が伝達されるまでは、中国戦線での戦訓に基づいて米軍との戦いを行っており、士気が非常に低く突撃によって逃げ出す相手に対する戦い方をとる事で日本軍の損害が非常に増えていた側面もある。この資料の完成後は、硫黄島の戦い及び沖縄戦に代表されるように米軍の被害は増加することになる。なお、サイパンの戦いには内容の教授に間に合わなかったと記録に残している。なお、『敵軍戦法早わかり』以降、大本営内部で意見の調整が行われ、各師団に軍事作戦（戦略）を説明するときに同時に現地情勢及び相手の戦闘方法の情報についても伝達するように切り替わった。