1979年静岡県浜松市生まれ。6歳よりピアノを始め、同時にヤマハ音楽教室で作曲を学ぶ。17歳の時にチック・コリアと共演。1999年にボストンのバークリー音楽院に入学。在学中にジャズの名門テラークと契約し、2003年にアルバム『Another Mind』で世界デビュー。
2008年にはチック・コリアとのアルバム『Duet』を発表。2010年はソロ・ピアノ作品『Place to Be』をリリース(日本は2009年発売)し、アメリカのアマゾンのジャズ・チャートで１位を記録。
2011年にはスタンリー・クラークとのプロジェクト作『スタンリー・クラーク・バンド フィーチャリング 上原ひろみ』で第53回グラミー賞「ベスト・コンテンポラリー・ジャズ・アルバム」を受賞。2012年4月、ニューヨーク国連会議場で行われたユネスコ主催の「第一回インターナショナル・ジャズ・デイ」に唯一の日本人アーティストとして参加。
2013年、アルバム『MOVE』の全米発売に合わせ、アメリカで最も権威のあるジャズ専門誌「ダウンビート」の表紙に登場(日本人としては、秋吉敏子以来33年ぶり2人目)。2014年の日本ツアーでは全国で4万人を超える動員を記録。2015年には「フジロックフェスティバル」のグリーンステージに登場し、大観衆を熱狂させた。
2016年4月(日本国内では2月)には上原ひろみザ・トリオ・プロジェクト名義のアルバム『SPARK』をリリースし、全米ジャズ・チャートで1位を記録。同作は日本でも第31回日本ゴールドディスク大賞「インストゥルメンタル・アルバム・オブ・ザ・イヤー」を獲得した。
2017年6月には日本人アーティストでは唯一となる、ブルーノート・ニューヨークでの13年連続公演を開催。8月にはロンドンのロイヤル・アルバート・ ホールにて開催された英国BBC主催のイベント「BBC Proms」に出演。そこでのパフォーマンスが絶賛を浴び、10月には同局の人気音楽番組『Later… with Jools Holland』に生出演した。また、ハープ奏者エドマール・カスタネーダとの『ライヴ・イン・モントリオール』が、第59回 輝く！日本レコード大賞にて「優秀アルバム賞」を受賞。
2019年には10年ぶりとなるソロ・ピアノ作品『Spectrum』をリリースし、アメリカで最も権威のあるジャズ専門誌「ダウンビート」の表紙に2度目の登場を果たす。
2020年8月からはコロナ渦で苦境にあるライヴ業界の救済を目的にブルーノート東京にてシリーズ企画『SAVE LIVE MUSIC』を展開。
2021年、「東京2020 オリンピック開会式」に出演。9月には『SAVE LIVE MUSIC』から生まれた上原ひろみ ザ・ピアノ・クインテット名義でのアルバム『シルヴァー・ライニング・スイート』を発表。
2023年2月公開のアニメ映画『BLUE GIANT』の音楽を手がけた。