10代のころ、日本将棋連盟の奨励会に在籍し、棋士を目指していたが、写真家に転身した。奨励会時代の師匠は関根茂。代表作である写真集『海人』はインドネシアの生存捕鯨を撮影したものだが、取材を始めてから鯨漁に遭遇するまで4年の年月がかかった。撮影に成功したものの鯨の断末魔の声を聞いた石川は、「海の上の撮影だけでは人間の物語になってしまう。海の中にはもうひとつの物語がある」と考え、それからさらに3年かけて鯨の視点で鯨漁の水中撮影に成功した。その際、逃げる鯨の背中につかまり、鯨の目を撮影している。また、伊勢神宮の神事を30年以上撮影しており、20年に毎に行われる遷宮儀式も2度撮影。現在は撮影不可能な神事写真の多くを所蔵し、その一部を写真集で公開している。東日本大震災では、震災の翌日にフリーランスとして唯一被災地を空撮、その後2か月間現地に留まり生々しい被災地の現場を取材した。取材の途中からは愛犬のボーダーコリーと十兵衛を伴い避難所や小学校を訪れ、フリスビー教室を開くなど、ボランティア活動にも従事した。ノンフィクション作家としては、開高健ノンフィクション賞で第8回（『鯨人』）、第11回（『第三の川』）と2度に渡りその著作がノミネートされている。初監督映画『世界でいちばん美しい村』は松竹東劇、新宿ピカデリーなどで公開された。個人製作のドキュメンタリー映画がこうした大劇場で公開されるのは非常に珍しい。
フランス通信社（AFP通信）のカメラマンを経て、1990年よりフリーの写真家となる。伊勢神宮の取材を皮切りに、アジア、アフリカ、南米など世界各地で撮影を行い、大自然とともに生きる人々の祈りの世界の取材をライフワークとする。また、1990年のヒマラヤ空撮をきっかけに、地球46億年をモチーフとした世界の空撮を世界各地で行っている。石川の作品と記事は国内主要誌の他、Life、National Geographic、Paris Match、GEO、New York Times、Washington Postなど世界の主要新聞、雑誌で発表されている。1998年写真集『海人』で講談社出版文化賞、日本写真協会新人賞受賞。2012年写真集『The Days After 東日本大震災の記憶』で日本写真協会作家賞。さらに1997年に放映された関西テレビ製作『巨鯨に挑む』では共同演出を担当し、ATP賞を受賞している。また、2015年のネパール大地震では震源地に日本人として初めて入り、現地の村の支援を始めるとともにドキュメンタリー映画（記録映画）の制作も進め、2017年3月に同地震を題材にした映画世界でいちばん美しい村を銀座東劇で公開している。この他、インドネシアのレンバタ島に今も残るモリを使った伝統的なクジラ漁の撮影を1990年代より行っており、同漁を題材にしたドキュメンタリー映画の制作・撮影プロジェクトも始動している。
東京都出身。筑波大学附属駒場中学校・高等学校、東京外国語大学外国語学部中国語学科卒業。東京大学大学院人文科学研究科（東洋史）修士課程修了、1997年同人文社会系研究科博士課程単位取得満期退学。日本学術振興会特別研究員を経て、1998年3月北海道大学法学部助教授、2006年10月より東京大学大学院総合文化研究科国際社会科学専攻（国際関係史）助教授、翌年4月より准教授。2015年4月、同教授。2000年9月「中華民国前期外交史研究」で博士（文学）（東京大学・課程博士）。その他に、国際日本文化研究センター客員助教授、財団法人東洋文庫客員研究員、東京外国語大学アジア・アフリカ言語文化研究所客員研究員、北海道大学スラブ研究センター客員研究員、神奈川大学人文学研究所特別研究員、世界平和研究所上席研究員、日経・CSISバーチャル・シンクタンク第一部会座長補佐等を勤める。この他、朝日新聞論壇合評委員、日中歴史共同研究外部執筆者、nippon.com編集委員、Discuss Japan 編集委員、Asia-Pacific編集委員などを歴任。2014年4月、nippon.com編集長（〜2016年9月）、6月内閣府国家安全保障局顧問（2016年10月再任〜2018年３月）、10月日本学術会議連携会員（史学・地域研究）、日本現代中国学会理事長（〜2016年10月）。2015年2月21世紀構想懇談会（70年談話委員会）委員（〜2015年8月）。2016年７月東アジア近代史学会副会長、10月nipppon.com企画編集委員長（〜2018年3月）、2017年10月JICA研究所客員研究員、2018年４月内閣府国家安全保障局シニア・フェロー、10年外務省外交文書公開促進委員会委員、2019年５月『外交』編集委員、内閣府領土・主権をめぐる内外発信 に関する有識者懇談会委員。この間中央研究院近代史研究所訪問学人（1995年8月〜1996年8月）、北京日本学研究中心副主任（2000年3月〜2001年3月）、国立台湾大学社会科学院客員研究員（2004年3月）、アメリカ国務省International Visiting Leadership Programフェロー（2005年2月〜3月）、北京大学歴史系客員助教授（2005年9月）、国立政治大学歴史学系客員助教授（2005年10月〜12月）、Woodrow Wilson International Center for Scholars Awarded Japan Scholar（2009年8月〜9月）、北京日本学研究中心派遣専門家（2010年8月〜9月、2015年12月〜2016年1月）等として在外研究・教育に携わる。2004年、著書『中国近代外交の形成』でサントリー学芸賞（政治経済部門）受賞。この著作の中国語訳『中国近代外交之形成』（北京大学出版社、2012年）は、中国の第十二届全国人大常務委員会委員で外事委員会主任委員でもある傅莹の「为中日关系打开一片天空」という一文（2015年10月26日、『人民日報』）において、日本の中国史研究の一例としてあげられ、「虽然观点可以讨论，但其中的资料不可谓不系统、深入」との評価がなされた。