平安高校では江坂政明とともに投の二本柱として活躍。1984年秋季近畿大会府予選準決勝に進むが、北村俊介のいた大谷高に惜敗。翌1985年夏の甲子園府予選は決勝に進出、江坂が先発するが花園高に敗退。卒業後に駒澤大学へ進学するも、すぐに中退。その後社会人野球の住友金属（和歌山県）に入社して活動していたが、1989年に西武ライオンズが突如ドラフト外入団として獲得。ユニフォーム姿の報道用写真も撮影され、発刊時期の早い選手名鑑にも「即戦力」として掲載されていた上、キャンプにも参加して阪神タイガースとの二軍の練習試合にも登板している。しかし、この入団方法に疑問が呈された結果、大学中退者でありながら、在学期間が短い関係上高卒扱いで登録されていたため、「高卒の社会人野球選手は3年間プロ入りできない」という野球協約違反で契約無効になってしまい（在学期間が長い大学中退及び大卒の社会人野球選手は2年間）、同時に西武球団は制裁金50万円と以後新人及び移籍扱いで小島を獲得する事が禁止されるペナルティーが科せられた。しかし西武球団は小島を見捨てず、当時管理部長だった根本陸夫が1990年3月から3ヶ月にわたり自宅で小島の面倒を見て、野球指導を行った。その後、担当スカウト宅や地元・京都で自主トレを行い、1990年のドラフト会議で小池秀郎の外れ1位として中日ドラゴンズから指名を受け入団した。1年目から先発・中継ぎで活躍。1992年8月15日の阪神戦で、ランナーのいない一塁に牽制球を投げたことがある。その後1998年に樋口一紀とともに、岸川登俊・南渕時高とのトレードで千葉ロッテマリーンズへ移籍。翌1999年オフに戦力外通告を受け、阪神、広島東洋カープ、横浜ベイスターズ、日本ハムファイターズの入団テストを受けるものの、不合格。2000年に台湾大聯盟・嘉南勇士の入団テストを受けて合格するも、7試合の登板で0勝に終わった。引退後は名古屋市東区で「炭火焼肉 ひろむ」を経営、その傍ら少年野球チームの総監督を務めていた。2015年1月1日付で阪神大学野球連盟2部の追手門学院大学の監督に就任した。同年、56期ぶりの1部昇格を決め、1年で結果を出した
2012年、木皿泉作品に出演する機会があるのならば、それが舞台であろうと構わないと、14年ぶりに舞台『すうねるところ』に主演する。木皿作品の魅力を心臓をぎゅっと掴まれるようなセリフ、キラキラしたセリフで構成されていると表現している。木皿作品へはドラマ『Q10』・『世の中を忘れたやうな蚊帳の中』・『おやじの背中』 第5話 「ドブコ」・『富士ファミリー』、舞台『すうねるところ』・『ハルナガニ』に出演している。木皿泉から見た薬師丸評は「SF風の意味不明なセリフでも、ものすごくリアルに言うことができる」「非常にぶっ飛んだセリフを書いても安心できる」、「消費されない存在感のある女優」。初の朝ドラ『あまちゃん』（2013年4月 - 9月）の出演依頼は断るつもりだったが、プロデューサーから渡された台本を読み出演を決める。しかし、懸念が1つあり、それは薬師丸が演じる鈴鹿ひろ美の大女優という役柄だった。また、鈴鹿には"音痴"という設定もあったが、それは、視聴者の世代によって受け止め方が違った。30代から下の世代には本当に下手だと思っていた人もいた。しかし、ドラマの最終週で本来の歌唱力を披露すると大反響となった。薬師丸は役作りのために「トンネルの現場」（トンネルから先の線路や建物が津波で流された東日本大震災の被災現場）を訪れ、その経験から「潮騒のメモリー」を犠牲者追悼の賛美歌のようにしたいと考え、メロディーとテンポを変えて歌うことを提案していた。薬師丸が演じた鈴鹿ひろ美役は抜群の存在感だったと評価された。（35周年記念）コンサートもアルバムも『あまちゃん』より前に決まっていたけれど、「潮騒のメモリー」を歌わせてもらったことは、私にとって大きかったと振り返っている。薬師丸は歌う機会が増え、若い世代には歌手として認知され、上の世代には薬師丸の歌を久しぶりに聴いたという人もいた。2003年から始まった、薬師丸がナレーションを担当する紀行・料理番組『食彩の王国』（テレビ朝日系）は2013年に10周年、放送回数も500回を超えた。薬師丸がナビゲーターを務めた『ケンボー先生と山田先生〜辞書に人生を捧げた二人の男〜』（2013年）は第30回ATP賞情報・バラエティー部門最優秀賞と第40回放送文化基金賞テレビエンターテインメント番組優秀賞、主演し主題歌も担当した『こうのとりのゆりかご〜「赤ちゃんポスト」の6年間と救われた92の命の未来〜』（2013年）は第68回文化庁芸術祭賞テレビ・ドラマ部門優秀賞を受賞している。2014年、シリアスからコメディな役まで、主演・助演の両方をこなすベテラン女優として評価され、放送ウーマン賞2013を受賞した。薬師丸がナレーションを担当した『赤めだか』（2015年）は 第42回放送文化基金賞テレビドラマ部門最優秀賞、小泉今日子と共に主演の『富士ファミリー』（2016年）は第32回ATP賞テレビグランプリのドラマ部門最優秀賞をそれぞれ受賞した。薬師丸は続編の『富士ファミリー2017』（2017年）でも小国鷹子を演じている。2016年3月、ドキュメンタリー『ガウディの迷宮〜サグラダ・ファミリア100年の夢〜』の中で「生誕のファサード」を完成させた彫刻家の外尾悦郎と供にガウディゆかりの地を訪ねた。同年7月、スウェーデンを舞台にしたドラマ『百合子さんの絵本 〜陸軍武官・小野寺夫婦の戦争〜』では小野寺百合子を演じた。2017年12月、出演した2本の映画『DESTINY 鎌倉ものがたり』と『8年越しの花嫁 奇跡の実話』が公開された。『8年越しの花嫁 奇跡の実話』の演技が評価され第41回日本アカデミー賞優秀助演女優賞を受賞した。2018年はドラマ『アンナチュラル』と映画『コーヒーが冷めないうちに』に出演。12月には長編時代劇コメディー『LIFE!スペシャル 忍べ!右左ヱ門』に参加。2019年、『いだてん〜東京オリムピック噺〜』でNHK大河ドラマ初出演。