ガリレオシリーズ
女性は論理的な人物もいるため苦手ではないが、付き合っている相手はいない。また結婚に関しても消極的。ドラマ版では「両親が若くして結婚したので生活に苦労した」と語っており、学生同士の結婚に対しても反対していた。
元々は佐野史郎をイメージして創られたキャラクター。最近はドラマ版に影響されて福山雅治をイメージしてしまうらしいこと。ドラマ版の口癖「実に面白い」は「絞殺る」で発言する。草薙俊平いわくペーパードライバーであるが本人は否定する。
本作の主人公ではあるものの、彼が主体に描かれている場面はほとんどなく、視点主になることもない。作品の大半は刑事と容疑者(事象が起きた周辺の人物)の視点によるものである。これは湯川に限った話ではなく、著者のシリーズにはよく見られる傾向である。特に『聖女の救済』では登場までかなり遅い。
湯川は草薙と内海は「信頼できる人間」と恩師の友永幸正に語っている。逆に草薙からは「科学者としては優秀で皆に尊敬されている」と言われた。しかし「人間的には......」と言葉を濁されたので当の湯川はややムキになって聞き出そうとしていた。
ドラマ版では「情」を感じさせない冷徹な描写が多く、犯罪者はもとより恩師であろうとも情けをかけることはないが、優しさがないというわけではない。コメディリリーフを担うこともある他、女好きの一面も見られた。また原作と違い、湯川が単独でトリックの解明に挑む(聞き込みをする)シーンがたびたび描かれた。
警視庁捜査一課所属・巡査部長(『予知夢』)→警部補、主任(『ガリレオの苦悩』)→警部、係長(『沈黙のパレード』)。「爆ぜる」連載当時34歳。帝都大学社会学部卒業。この小説の最初期から登場する実質的な中心人物であり、視点主として描かれることが多い。『ガリレオの苦悩』では内海薫が主な視点主を務めるが、以降はまた草薙に戻っている。剣道初段、柔道三段の腕前で、ステッキを持って暴れる男を風邪気味の状態にも拘らず容易く取り押さえている。
刑事によくいる強面という感じではなく、「相手を安心させる顔と態度」のため聞き込みに向いていると間宮に評されている(草薙は「面白い顔ってことかよ」と不満そうにしている)。
湯川とはかつて帝都大学バドミントン部での同期だった。突然人体が燃え上がるという事件(「燃える」に収録)で、マスコミが唱えたプラズマ説を検証するために第十三研究室を訪ねて以来、奇怪な事件が起こるたびに、油を売るついでに湯川の協力を仰いでいた。それまでは3年以上も湯川と交流がなく、友人の結婚式を最後に会っていなかった。
人の話を引き出すのが巧く、湯川に事件への興味を惹かせるのにも長けている一方、理数系は大の苦手で、しばしば湯川に突っ込まれていた(なお、湯川はそれを楽しむ傾向があり、草薙もからかわれていると自覚している)。
怪事件が起こってもアメリカまで来ないでほしい」と草薙にメールを送った。それから四年後の『沈黙のパレード』にて教授となって帰国するが、連絡したのは内海だけで草薙にはしなかった(内海から伝わると考えたため)。
趣味はバドミントン。バドミントン部に属していたころから腕前は高く、現在でも大会で優勝することがある。そのため体格はいいが、当人は学生時代よりは衰えたと述べている。好きなものはインスタントコーヒーでその歴史を諳んじるほどである。またかつてはインスタントコーヒーを自作しようとしたこともあるが『買ったほうが効率が良い』と言う結論に落ち着いたという。草薙が訪れた際には、あまり綺麗に洗っていないマグカップに薄いインスタントコーヒーを淹れてもてなす。他の訪問者にもたいていコーヒーを勧めるが、遠慮されることが多い。一方で他人が淹れるコーヒーにはうるさい。
容姿に関しても「端正な顔立ち」とされ、整った顔であることが窺える。
苦手なものは子供。理由は「論理的でない相手と付き合うのは疲れる」ため。そのため子供と話すのは専ら草薙任せで、疑問を感じると草薙を通して質問をしていた。しかし『真夏の方程式』では彼をもってして「偏屈」と言わしめる少年との交流がある。ドラマ版では近寄られただけで蕁麻疹ができるほどのアレルギーを持っている。