東京都荒川区出身。実家は西日暮里にある精肉店「肉のきたじま」(株式会社北島商店)を経営している。文京区の区立千駄木小学校、文林中学校、本郷高校、日本体育大学体育学部体育学科卒業。日体大大学院に進んだが選手活動に専念するため2006年に中退した。
5歳から東京SCで水泳を始めた。中学2年生の時に、東京SCの平井伯昌コーチに見い出される。高校3年生でシドニーオリンピックに出場し、100m平泳ぎ4位入賞。2004年アテネオリンピックと2008年北京オリンピックにおいて100m・200m平泳ぎで金メダルを獲得し、オリンピック史上初の平泳ぎ2大会連続2種目制覇を果たす(オリンピック2大会連続2種目制覇は日本人史上初)。また、個人メドレーで日本記録を保持していたこともある。
2005年度から日本オリンピック委員会が始めた選手強化キャンペーンのシンボルアスリート制度を用いず、2005年4月から日本コカ・コーラと所属契約を結ぶことになり、スイミングキャップやレーシングゴーグル、水着にCoca-Colaのロゴを入れて大会に出場する。競技生活を仕事とするプロ選手である。北京オリンピックまでは東京SCを拠点にトレーニングしていたが、休養から明けてトレーニングを再開した(2009年9月)以降は南カリフォルニア大学を拠点としている。
| 2000年 | シドニー五輪 | 100m平泳ぎ | 4位 |
|---|---|---|---|
| 2001年 | 世界選手権 | 200m平泳ぎ | 銅メダル |
| 2002年 | アジア大会 | 100m/200m平泳ぎ | 2冠 |
| パンパシフィック選手権 | 100m/200m平泳ぎ | 2冠 | |
| 2003年 | 世界選手権 | 100m平泳ぎ | 金メダル |
| 200m平泳ぎ | 銀メダル | ||
| 2004年 | アテネ五輪 | 100m/200m平泳ぎ | 2冠 |
| 400mメドレーリレー | 銅メダル | ||
| 2005年 | 世界選手権 | 50m平泳ぎ | 銅メダル |
| 100m平泳ぎ | 銀メダル | ||
| 400mメドレーリレー(平泳ぎ) | 銅メダル | ||
| 2006年 | アジア大会 | 100m/200m平泳ぎ/400mMR | 3冠 |
| 2007年 | 世界選手権 | 100m平泳ぎ | 銀メダル |
| 200m平泳ぎ | 金メダル | ||
| 400mメドレーリレー | 銀メダル | ||
| 2008年 | 北京五輪 | 100m/200m平泳ぎ | 2冠 |
| 400mメドレーリレー | 銅メダル | ||
| 2010年 | パンパシフィック選手権 | 100m/200m平泳ぎ | 2冠 |