妻は西村勇之進の長女、正（まさ、1844年 - 1918年）。『平成新修旧華族家系大成』によれば4男4女。長男の一之助（かつのすけ）が大山巌の二女である芙蓉子（ふよこ）を、三男の源三郎（げんざぶろう）が青山幸宜の二女である孝子（たかこ）を、それぞれ夫人に迎えている。また、三女の滋（しげ）は黒井悌次郎夫人、四女の淑（よし）が山岡熊治夫人となった。家督は長男の一之助（1871年 - 1945年）が継いだ。一之助の後は、婿養子となった細川直知（なおのり、奥田直恭の二男。1909年 - 1987年）が継ぎ、1947年の華族制度廃止を迎えている。
教育者としては、明治初年に開成学校権判事を務め、その基礎を固めている。女子高等師範学校校長を務める。女子高等師範学校付属女学校・付属高等学校（現：お茶の水女子大学附属高等学校）の同窓会組織で明治24年に設立された「作楽会」の名称は、細川によるものである。その後学習院院長心得などを歴任する。『古事類苑』の編纂総裁を務めた。新しい印刷・農業技術の紹介などに力を尽くして、晩年には文学博士・帝国学士院会員の称号が贈られた。著作集に、『十洲全集』全3巻がある。
明治政府に出仕して開成学校権判事を務めている。新聞紙条例・出版条例・戸籍法の起草に参加する。その深い法律知識を見込まれて民部省に入った。1870年に平民に苗字を許す規定を提案したのは細川である。続いて同省から分離した工部省に移る。明治4年（1871年）にはサンフランシスコ博覧会の視察を目的にアメリカに渡り、そのまま同国に留学する。帰国後は文部省・元老院と移り、柳原前光・福羽美静・中島信行とともに「国憲取調委員」に任じられる。ここで彼は「法律起草のエキスパート」としての能力を発揮して、刑法・治罪法・陸海軍刑法・日本海令草案・医事法・薬事法起草の中心人物として活躍する。1876年（明治9年）元老院議官に選ばれ、また、1881年には司法大輔となる。1890年（明治23年）には貴族院勅撰議員となり、同年10月20日、錦鶏間祗候となる。1893年（明治26年）に枢密顧問官となり、死去までその席にあった。1900年（明治33年）5月、勲功によって男爵を授けられた。
天保5年（1834年）、土佐藩に仕える儒者細川延平の次男として生まれる。藩校で優秀な成績を修め、土佐藩の三奇童の一人と謳われた（他の二名は岩崎馬之助（秋溟）、間崎哲馬（滄浪））。幕末の緊張する内外の情勢に関心を持ち、安政元年（1854年）には長崎に遊学して高島秋帆に入門し、兵学・砲術を学んだ。帰郷後の安政5年（1858年）には、藩命により江戸の海軍操練所でも勉学に励み、航海術を習得した。また、この時期に中浜万次郎の知遇を得て英語も併せて学ぶようになった。帰藩後、吉田東洋にその才覚を認められて山内容堂の侍読及び藩校教授として洋学を教えた。また、吉田東洋政権の下での藩政改革に関わり、松岡時敏・福岡孝弟らとともに土佐藩の新しい藩法である「海南政典」・「海南律例」の編纂に参加する。
ELTとしてのみでなく、持田単独でテレビCMにも多数出演していて、その多くはCMとタイアップしたELTの楽曲（詳細は当該項参照）がBGMに使用されている。1998年（平成10年）以降、企画アルバムでソロ楽曲を発表。また、おおはた雄一やDragon Ashなどのアーティストと共演をしている。2003年（平成15年）にはフォト・エッセイ『ミドリノヘイワ』を本にして出版している。2004年（平成16年）10月20日には尊敬する井上陽水によるプロデュース（「持田香織 produced by 井上陽水」名義）で、シングル「いつのまにか少女は」（作詞・作曲：井上陽水）を発売した。ソロとしては11年ぶりである。オリジナルは1973年（昭和48年）3月の井上陽水「夢の中へ」のカップリング曲。トリビュート・アルバム『YOSUI TRIBUTE』にも収録されている。2006年（平成18年）3月24日に発売された女優の綾瀬はるか（同じ誕生日）のデビュー曲「ピリオド」の作詞（小林武史と共作）をしている。2007年（平成19年）3月14日に発売された歌手・中島美嘉の4thアルバム『YES』に収録されている「GOING BACK HOME」の作詞を担当。2008年（平成20年）6月25日に発売されたバンド・DREAMS COME TRUEのシングル「MERRY-LIFE-GOES-ROUND/TRUE, BABY TRUE.」に収録されている「MERRY-LIFE-GOES-ROUND」のPVに女優として出演している。2009年（平成21年）1月28日に、約4年3ヶ月ぶりに自身3枚目となるソロシングル「雨のワルツ」（「持田香織とSAKEROCK」名義）がリリースされた。これを機にソロ活動を本格的に開始。また、同年3月田島貴男とCaocaoを結成し、フィンガー5の楽曲「個人授業」をカバー。映画『おっぱいバレー』の主題歌となる。2012年（平成24年）6月6日にリリースされた「美しき麗しき日々」は、日本テレビ系ドラマ『クレオパトラな女たち』の主題歌で、ソロでは初のドラマ主題歌に抜擢された。2015年（平成27年）7月26日、三重県桑名市のナガシマスパーランドで開催された「TOKAI SUMMIT」のステージにおいてスポーツトレーナーの一般男性との婚約を報告し、8月8日に婚姻届を提出した。2019年（平成31年）3月- 4月、ソロ活動10周年を記念した全国ツアー『KRASYS presents 持田香織10周年記念コンサートツアー2019「てんとてん」』を開催予定。