東京市品川区（現・東京都品川区）の生まれ。中学時代から劇団若草に所属し、1954年、関川秀雄監督の児童映画「ふろたき大将」の主役に抜擢されて映画デビューする。60年に日本大学芸術学部映画学科に入学するが、すぐに中退。65年、劇団青俳の養成所を経て、岡田英次、蜷川幸雄、蟹江敬三らとともに現代人劇場を結成し、アートシアター新宿文化で『真情あふるる軽薄さ』などに主演する。70年代の学生運動、政治闘争を象徴した蜷川の演出によって若者たちの熱狂的な支持を受け、その先頭に立っていた石橋も政治運動に参加するが、こうした動きに反発した岡田が離れ、72年に蜷川、蟹江、緑魔子らと櫻社を結成して演劇活動を続ける。75年には緑魔子とともに劇団第七病棟を結成。映画は64年の「越後つついし親不知」から本格的に出演し、やがて変質者や悪役をはじめとして、どんな小さな役柄でも個性を放つ俳優として異彩を放ち始める。深作欣二監督「狼と豚と軍艦」64でチンピラ役を好演、以後も「網走番外地・望郷篇」65、「地獄の掟に明日はない」「非行少女ヨーコ」66、「あらかじめ失われた恋人たちよ」71などで印象深い役を演じ、主役を喰うような異色の俳優としての位置を確立していった。中でも、神代辰巳監督「赫い髪の女」79で演じた、拾った女とセックスに明け暮れるトラック運転手役は、当たり役のひとつだろう。79年、事実婚の状態だった緑魔子と、一人娘の小学校入学を機に正式に入籍。その後は、盟友・蜷川が監督した「魔性の夏・四谷怪談より」81の演技で日本アカデミー賞優秀助演男優賞、90年には黒木和雄監督「浪人街」と若松孝二監督「われに撃つ用意あり」でキネマ旬報賞、毎日映画コンクールの助演男優賞を受賞。2010年には行定勲監督「今度は愛妻家」、北野武監督「アウトレイジ」でブルーリボン賞助演男優賞に輝くなど、日本映画を支えるベテラン俳優として長く活躍を続ける。その出演作品は名匠・熊井啓、深作、市川崑作品などから、黒木、若松、恩地日出夫、五社英雄、大林宣彦、森田芳光、塚本晋也、三池崇史、堤幸彦と、まるで日本映画監督一覧を眺めているかのような多種多彩さで、膨大な数にのぼる。映画に出演する時は独自の立場を築き、作品にアクセントが必要な時に出番が回ってくる。アクションものからシリアスなもの、コメディに至るまで、大人ものから子供映画まで内容は一切問わず、たとえ低予算の映画であっても躊躇なく出演。それは石橋ならではの新しいものに対する嗅覚の鋭さであり、ステータスにもなっている。テレビドラマ出演も、NHK大河ドラマ『勝海舟』74、『花神』77、『独眼竜政宗』87、『北条時宗』01、『風林火山』07、『龍馬伝』10などから、同局『匂いガラス』92、『逃亡』02、『蝉しぐれ』03、『慶次郎縁側日記』04～06、『バッテリー』『トップセールス』08、『つばさ』09、『心の糸』10、日本テレビ『蘇える金狼』99、『共犯者』03、フジテレビ『怪談百物語』02、『不毛地帯』09、テレビ朝日『必殺仕事人2007』07、『仮面ライダーディケイド』09など数限りない。その一方で、劇団第七病棟の公演は長らく途絶えた状況が続いており、演劇にこだわり続ける舞台人・石橋蓮司の復活も期待される。