小学5年から投手として野球を始め、中学はリトルリーグでプレー。九州学院高ではエースになるも3年夏は県大会初戦で敗退した。高校卒業後は、福岡大学へ進む。大学選手権に出場するが、初戦で龍谷大学に敗れている。大学卒業後は、社会人野球の富士重工業に入団。2000年にはシドニーオリンピック野球の補充選手となる。また、同年の都市対抗野球では2回戦まで進出した。同年のプロ野球ドラフト会議では日本ハムファイターズを逆指名し1位で入団。
2000年のMLBドラフト22巡目（全体の649番目）でサンディエゴ・パドレスに指名され契約。2005年7月にピッツバーグ・パイレーツに移籍し、同年9月13日にメジャーデビューを果たす。2006年はメジャー出場はなく、オフにオークランド・アスレチックスに移籍する。2007年は2年ぶりにメジャー出場を果たしたものの、ほとんどを3Aサクラメントで過ごした。サクラメントではショートを中心に、セカンド、サード、レフト、ライトも守り、足もそこそこ速いためユーティリティープレイヤーとして活躍した。同年オフ、横浜ベイスターズと契約。2008年、開幕一軍は果たしたが打撃が安定せず、4月中に一旦二軍（湘南シーレックス）落ち。再昇格後も状態の改善は見られなかった。主に二遊間を守ったが、守備・走力は平凡で、若手内野手起用の方針から8月9日に出場選手登録を抹消された。その後も二軍ではほぼフル出場したものの一軍から声は掛からず、10月1日にシーズンを残したまま帰国し、その後自由契約となった。2009年はフィラデルフィア・フィリーズとマイナー契約を結び、傘下の3Aリーハイバレーでプレーした。2010年はタンパベイ・レイズとマイナー契約を結んだ。
警察官である父を持つ5人兄弟の第3子。太平洋戦争の激化により、1944年9月に一時台湾へ避難する。1か月後に那覇へ戻る予定だったが、那覇が空襲で壊滅したうえ、乗っていた那覇行きの船は約2週間の漂流を経て鹿児島へたどり着き、そこから熊本県に移って疎開生活を送る。終戦後の1946年に沖縄へ帰郷し、小学生時代は石川市（現・うるま市）、玉城村（現・南城市）で過ごす。琉球政府立那覇高等学校での高校生時代は映画に夢中で、『シェーン』などの作品に感動し、これが本格的な映画との出会いになった。中央大学文学部での大学生時代からアマチュアで脚本を執筆し、この時は自らの戦争体験を伝えるべく沖縄戦や米軍基地をテーマにした脚本を書いていた。大学卒業後には肺結核に罹患した一方、療養のために25歳で一時帰郷していた際に母の友人から「同じ映画好き」として誘われ、同郷の金城哲夫と出会う。先に円谷プロダクションに入社した金城の誘いで上京して円谷英二や円谷一と出会い、一に「脚本家になりたいなら、まず賞を取れ」と言われ、沖縄戦をテーマにした脚本『収骨』を執筆し、同作を芸術祭一般公募に出品して佳作に入選する。授賞式への出席のために再上京し、金城を手伝うために円谷プロへ入社する。1964年、沖縄のローカル番組『郷土劇場』のドラマ「しみるするぬーが」で脚本家としてデビューした後、『ウルトラQ』の第21話「宇宙指令M774」で全国区のテレビライターとしてのデビューを果たす（本来、この脚本は「オイルSOS」というタイトルで書かれたが、ロケで交渉していた石油会社に最終的に断られたことを受け、書き直されたものだった）。『ウルトラセブン』では、メインライターの金城が途中から『マイティジャック』に注力していたため、若手の上原と市川森一に多くの脚本が割り当てられた。上原はその任務を果たし、次第にその才能を開花させていく。1969年、金城が円谷プロを退社して沖縄へ帰郷するのと同時に上原も退社し、フリーの脚本家となる。1971年の『帰ってきたウルトラマン』ではメインライターを務め、第2期ウルトラシリーズの基礎を築いた。次作『ウルトラマンA』にも引き続き参加したが、さらにその次作『ウルトラマンタロウ』の初期で一旦シリーズを離脱する。『ロボット刑事』からは東映の作品を中心に活動し、『がんばれ!!ロボコン』や『秘密戦隊ゴレンジャー』を大ヒットさせる。また、この時期からは実写作品のみならず、東映動画（東映アニメーション）制作のテレビアニメ作品も手がけるようになる。それ以降は一貫して子供番組の企画を担当し、特撮やアニメ作品の脚本を手がけている。特にスーパー戦隊シリーズやメタルヒーローシリーズの初期作品にはメインライターとして参加し、シリーズの基礎を築いた。1987年3月の『時空戦士スピルバン』の終了まで多数の東映作品の脚本を執筆し、2018年現在では1995年の『超力戦隊オーレンジャー』が最後の東映作品となっている。その後は『ウルトラマンティガ』や『ウルトラマンマックス』などのウルトラシリーズを散発的に執筆しており、過去に手がけた作品のオマージュであることが多い。特撮作品では大学の先輩でもある東映プロデューサー・吉川進と組むことが多く、脚本家仲間では円谷作品時代からの盟友・市川森一に「東芝日曜劇場」の執筆をしばしば勧められていた。子供番組よりも高い待遇を踏まえての忠告であることは理解できたがこれを断り、その後も子供番組の脚本を執筆し続けている。活躍の場を東映に移してからは、特撮・アニメを問わず高久進や曽田博久らとローテーションを組むことが多く、後に高久・曽田ともゲーム製作会社フラグシップのスタッフとして、ともに名を連ねることとなる。2009年7月下旬、1000本を越えるシナリオから50本を厳選したシナリオ集『上原正三シナリオ選集』（現代書館）を刊行する。2017年6月、初めての小説『キジムナーkids』（現代書館）を刊行し、同作で2018年の第33回坪田譲治文学賞を受賞する。