東京市下谷区上野桜木町（現在の東京都台東区上野桜木町）にて、日本画家山川秀峰の長男として生まれ、品川区下大崎（現在の品川区東五反田）に育つ。1936年、慶應義塾幼稚舎に入学。1942年、慶應義塾普通部に進学。1944年、神奈川県中郡二宮（現在の二宮町）の家に疎開。同年8月より普通部を休学。敗戦を二宮の家で迎える。1945年4月普通部3年に復学。1947年、慶應義塾予科文学部に入学。在学中に学制改革を経て慶應義塾大学文学部仏文科に進む。1952年に卒業。卒論はサルトル。慶應義塾大学大学院文学研究科仏文専攻に入学。『三田文学』に参加。1953年、大学院中退。1954年、田久保英夫、桂芳久と共に第3次『三田文学』を創刊。新人発掘に力を注ぎ曽野綾子、江藤淳、坂上弘などの作品を掲載する。1956年、編集を退く。1958年、『演技の果て』で第39回芥川賞候補となる。1959年、『その一年』『海の告発』で第40回芥川賞候補となる。1960年、中原弓彦編集の『ヒッチコック・マガジン』誌に登場し、ショートショートを執筆。後に日本国外の雑誌に翻訳される「お守り」を『宝石』に発表する。1961年、『海岸公園』で第45回芥川賞候補となる。1962年から1963年にかけて『ヒッチコック・マガジン』誌で、『夏の葬列』などのショートショート『親しい友人たち』を連載。同じ頃、寿屋（現在のサントリー）のPR誌『洋酒天国』の編集に関与。1964年、『クリスマスの贈物』で第50回直木賞候補、『愛のごとく』で第51回芥川賞候補となる。同年5月、聖心女子大学国文科を卒業して大学院在学の傍ら母校の湘南白百合学園の講師になったばかりの生田みどり（1942年生まれ）と結婚。1965年2月19日12時30分頃、二宮駅前の国道1号の横断歩道を渡ろうとした際にトラックに轢かれる交通事故に遭い、翌日午前10時20分に搬送先の大磯町の病院で死去。享年34。妻の山川みどり（旧姓 生田）は、1983年から2001年まで『芸術新潮』誌の編集長を勤める。
1741年、アンデルス・セルシウスとその助手 Olof Hiorter はオーロラが発生すると地球磁場も変動するということを発見した。またアレクサンダー・フォン・フンボルトは1845年から1862年にかけて刊行された『コスモス』の1章を割いてオーロラについて述べている。彼はベルリンからアルプスの高山から赤道から極地まで地球磁場を準定量的に測り、ロシアとイギリスの王立協会に地磁気観測所を進言して設立させ、地磁気の擾乱が全球的なものであることを突き止めた。そして、世界中の磁場が乱れて高緯度地方に強いオーロラが出たり低緯度地方にオーロラが出たりする現象に対し、フンボルトは「地球磁場のカミナリ」という新しい術語を作った。20世紀に開かれた国際会議により、この現象は「磁気嵐(Magnetic storms)」と再命名された。19世紀末になると、X線の発見やその研究、またジョゼフ・ジョン・トムソンによる電子の発見に象徴される、真空管を用いた実験が盛んになっていった。トムソンは自著の中で放電管の光とオーロラの光は同一であろうと述べている。ノルウェーの物理学者、クリスチャン・ビルケランドは1896年の時点で、太陽から高速で飛んでくる電子が地球の大気に突入して光ったものがオーロラではないかと考えた。そして数多くの遠征や小さな地球を模した磁石（テレラ）による実験（後述）、地磁気擾乱の解析などを経て、1913年に研究結果を1冊の本にまとめた。この本の中で彼は既に、オーロラに沿って流れる大電流について述べている。カール・ステルマーはビルケランドのテレラを見て数学者から理論物理地球学者に転向し、磁場内での荷電粒子の動きを計算した。しかし算出されたオーロラの発生範囲が実際のオーロラと違うことからステルマーは実測に力を入れ始め、計4万枚のオーロラの写真を撮った。この研究により、オーロラの下端が100km上空にあることが確認された。シドニー・チャップマンは1918年に「磁気嵐の理論の概要」という論文を発表した。その後この論文に対する反論を受けて助手フェラーロとともに1931年、地球の磁気圏は太陽風によって彗星のような形になっているという、チャップマン=フェラーロ理論を発表した。太陽のプラズマの中に「未知のもの」があるはずだというチャップマンに学会は反発したものの、数年後に「未知のもの」とは太陽の磁場であることがわかった。チャップマン=フェラーロ理論は約30年後のアメリカの人工衛星エクスプローラー12号により1961年に実証された。ハンス・アルヴェーンはアルヴェーン波を予言し、「磁場の凍結」という概念を確立したノーベル物理学賞受賞者である。アルヴェーンは「磁場の凍結に固執するから太陽面爆発やオーロラを説明できないのだ」と自らの理論を軽んじて、若い研究者から異端として扱われた。実際に磁場の凍結でオーロラは説明できない。その後チャップマンとアルヴェーンの間で磁気嵐を巡る論争が起こり、チャップマンは「数学的な解に十分な基礎をおかない思索を避けねばならない」といい、アルヴェーンは「プラズマは数式を嫌い、そしてまた数式の示すところに従いたがらない」といい、ステルマーは「オーロラがカーテン状である理由を説明できない理論はオーロラの理論と呼べない。結局私の理論が一番正しいはずである」といった。