趣味は映画鑑賞、カメラ、プロレス観戦。特技はパントマイム、手品、卓球。趣味のカメラでは主にフィルムカメラのナチュラクラシカを使用している。プロレスは大日本プロレスのファンで、好きなプロレスラーは葛西純であり、雑誌『KAMINOGE』vol.45で、染谷にとって念願の葛西との対談を果たしている。好きな俳優はフィリップ・シーモア・ホフマン。長谷川和彦監督の1976年映画『青春の殺人者』を「特別な一本」として挙げている。高校時代から自主映画制作を行っており、自身が主演した『嘘つきみーくんと壊れたまーちゃん』のスピンオフムービー『episode.0.38あの子とパーマ』の監督を務めた。その後、「死ぬ前に一回はフィルムで映画を撮りたい」という熱意から、同作品の監督である瀬田なつきと共同脚本で自主制作の短編映画『シミラー バッド ディファレント』を手掛け、2013年12月20日にオーディオトリウム渋谷で一夜限りの上映を行った。映画監督に転身するつもりは一切ないが、こういった作品作りは続けていきたいと語っている。2015年1月1日に菊地凛子との結婚を発表。2016年10月8日に、菊地との間に第1子が誕生したことを発表した（子供の性別は非公表）。2019年3月31日、菊地の第2子出産を自らの公式サイトで発表。
7歳のときに子役として活動を始める。9歳のときに『STACY』で映画初出演。2009年、映画『パンドラの匣』で長編映画初主演。2011年、第68回ヴェネツィア国際映画祭に出品された園子温監督作品『ヒミズ』で共演した二階堂ふみとともに、最優秀新人賞にあたるマルチェロ・マストロヤンニ賞を受賞した。日本人の同賞受賞はこれが初である。2012年、『嘘つきみーくんと壊れたまーちゃん』で、第66回毎日映画コンクールスポニチグランプリ新人賞を受賞。2013年、『ヒミズ』『悪の教典』で第36回日本アカデミー賞新人俳優賞を受賞。同年9月3日に、エビス大黒舎からトイズファクトリーへの移籍を発表。2015年、『さよなら歌舞伎町』で、第14回ニューヨーク・アジア映画祭ライジングスター賞を受賞。2016年、中国の巨匠チェン・カイコー監督による日中合作映画『空海-KU-KAI- 美しき王妃の謎』で主演に抜擢され空海を演じる（中国2017年・日本2018年公開）。この作品では全編中国語で演じ、中国語も習得した。2020年放送開始の大河ドラマ『麒麟がくる』で主人公の宿敵となる織田信長を演じる。
明治大学文学部文学科卒業。大学在学中に演劇学を学び、1984年に劇団「隔世遺伝」を旗揚げ。劇団の俳優としてはもちろん演出などもこなす。1991年5月、ファンハウスよりKOZIMAのボーカルとしてデビュー。1993年7月までの短い活動期間ではあったが、数多くの作品を世に送り出した。1993年、FM雑誌のFM STATIONのDJ人気投票で、キー局以外で初めて第1位となり、翌年も同じ人気投票で2年連続1位となった。1994年5月、ソロ活動で再スタートし、バンド結成前から温めてきたオリジナル曲を歌い始める。家族経営事務所「株式会社小島艶」と、オフィシャルファンクラブ「はさませて」を設立し、1996年1月には東芝EMIとメジャー契約を交わす。同年8月7日、ソロになって初のシングル「太陽に抱かれている」を発表。続いて9月26日に初のソロアルバム「Song-O-Coo」を発表した。また、TVではテレビ東京系の『ザ・BINGOスター』にMCアシスタントとして出演。1年半後、K-MIX（FM静岡）に、ゲスト出演&フルバンドライブ。県教育委員会提供番組「風を切って」（1999年4月〜2000年4月）を担当。2001年2月3日、自社レーベルよりミニアルバム「風のfizz」を発表。同表題曲はファンケル化粧品のCMソングに起用される。現在、毎年夏に行われるPGAシニアツアー・ファンケルクラシックのテーマソングに「愛しき人」が使用されている。2006年2月に、末川かおりとの入籍を発表。41歳での結婚となった。2006年2月18日の「I'm Alive!」では、小島嵩弘がリスナーと長年応援してきたファンに心境を激白した。2006年7月19日、ラジオパーソナリティ吉田照美とのユニットであるYK型のファーストシングル「卍固めでTurn The Night」をリリース。2006年10月、千葉県香取郡多古町の『多古米親善大使』に任命。2007年12月1日、アルバム「ONE」をリリース。2008年、bayfmの「I'm Alive!」『校歌作ろうぜスペシャル！「産まれたての校歌 〜歌い継がれる思いをのせて…」』の出演で日本民間放送連盟賞優秀賞を受賞した。千葉県立山武農業高等学校と千葉県立白里高等学校が統合し、新たに創立する千葉県立大網高等学校の校歌を在校生、卒業生、地域住民などからの意見を聞きながら制作した。2月にbayfm本社のスタジオにて小島の指導の下、有志生徒と職員による合唱がCDに収録された。2009年4月18日にアルバム「太陽も花も影も」をリリース。2009年12月16日、YK型のファーストミニアルバム「サイケデリック・スキャンダル」をリリース。2011年11月3日、YK型のミニアルバム「哀しみのStripper」をリリース。2012年8月5日、 アルバム「君のためにできること」をリリース。2017年4月1日、森久保祥太郎の後任として、KEIYOGINKO POWER COUNTDOWN REALのパーソナリティに麻生夏子とともに就任。