山口淑子、日本人の父と母の間に１９２０年に生まれた。父は満州鉄道で中国語を教えていた。満鉄に就職するには 中国語が話せないといけなかった。
李際春将軍（後に漢奸罪で処刑される）の、義理の娘（乾女兒）となり、「李香蘭（リー・シャンラン）」という中国名を得た。その後、のちに天津市長になった潘毓桂とも義理の娘として縁を結んだ。中国の旧習では、元来縁を深める為にお互いの子供を義子とする習慣があった。これは実際に戸籍を移す法的な養子という関係ではなく、それぞれの姓でお互いの子女に名前を付け合うなどのものである。
1934年（昭和9年）、淑子は「潘淑華」（潘毓桂としての義子名）の名で北京のミッション・スクール（翊教女子中学）に入学し、1937年（昭和12年）に卒業した。
日本語も中国語も堪能であり、また彫が深く、奉天放送局の新満洲歌曲の歌手に抜擢され、日中戦争開戦の翌1938年（昭和13年）には満州国の国策映画会社・満洲映畫協會（満映）から中国人の専属映画女優「李香蘭」（リー・シャンラン）としてデビューした。女優として歌手として、日本でも満洲でも多くの人々から中国人スターと信じられていた。
日中戦争中には満洲映畫協會の専属女優として日本映画に多く出演し人気を得た。人気俳優の長谷川一夫とも『白蘭の歌』『支那の夜』『熱砂の誓ひ』で共演した。1941年（昭和16年）2月11日の紀元節には、日本劇場（日劇）での「歌ふ李香蘭」に出演し、大盛況となった。大勢のファンが大挙して押し寄せ、日劇の周囲を七周り半もの観客が取り巻いたため、消防車が出動・散水し、群衆を移動させる程の騒動であったと伝えられている（日劇七周り半事件）
1943年（昭和18年）6月には、阿片戦争で活躍した中国の英雄・林則徐の活躍を描いた時代劇映画『萬世流芳』は、中国映画史上初の大ヒットとなったのである。また内容は、阿片戦争の相手国であったイギリスを当時の日本に見立てて、中国民衆の抗日意識を鼓舞するものだった。
『萬世流芳』の大ヒットにより、中国民衆から人気を得た李香蘭は、上海から北京の両親のもとへ帰郷し、北京飯店で記者会見を開いた。 当初、この記者会見で彼女は自分が日本人であることを告白しようとしていたが、父の知人であった李記者招待会長に相談したところ、「今この苦しい時に、あなたが日本人であることを告白したら、一般民衆が落胆してしまう。それだけはやめてくれ」と諭され、告白を取りやめた。この記者会見が終わり掛けた時、一人の若い中国人新聞記者が立ち上がり、「李香蘭さん、あなたが『白蘭の歌』や『支那の夜』など一連の日本映画に出演した真意を伺いたいのです。あの映画は中国を理解していないどころか、侮辱してます。それなのに、なぜあのような日本映画に出演したのですか? あなたは中国人でしょう。中国人としての誇りをどこに捨てたのですか」と質問した。これに対し、彼女は、「20歳前後の分別のない自分の過ちでした。今は後悔しています。あの映画に出たことを後悔しています。今後、こういうことは決して致しません。どうか許してください」と答えるや、記者会見会場内からは大きな拍手が沸いたという。
1945年（昭和20年）6月23・24・25日に上海・静安寺路（現・南京西路）の大光明大戯院Grand Theatre（現・大光明電影院）で行われたリサイタルでは、ヒット曲「夜來香」を含む中・日・欧米の歌曲等が披露され、観客の喝采を浴びた。そして人気の勢いは留まる事を知らず、李香蘭は、周璇、白光、姚莉、呉鶯音らと共に、上海灘の「五大歌后」の1人に数えられた）。 それまで、李香蘭は満洲国と日本のスターだったが、映画『萬世流芳』と、その主題歌「賣糖歌」、挿入歌「戒煙歌」、そして「夜來香」「海燕」「恨不相逢未嫁時」「防空歌」等のヒット曲により、中華民國でも人気スターとなった。
李香蘭は映画『支那の夜』（中華民國では『上海之夜』）をはじめ、『白蘭の歌』『熱砂の誓ひ』の中で、「抗日から転向し日本人を慕う中国人女性」を演じていた。また、中国語で「夜來香」「恨不相逢未嫁時」「防空歌」「海燕」等のヒット曲を出したり、愛国映画「萬世流芳」に出演し、「賣糖歌」「戒煙歌」をヒットさせたりしていた関係上、中国人と思われていたため、日本の敗戦後、中華民國政府から売国奴（漢奸）の廉で軍事裁判にかけられた。李香蘭は来週、上海競馬場で銃殺刑に処せられるだろうなどという予測記事が新聞に書かれ、あわや死刑かと思われた。
しかし奉天時代の親友リューバの働きにより、北京の両親の元から日本の戸籍謄本が届けられ、日本国籍であるということが証明され、漢奸罪は適用されず、国外追放となった。無罪の判決を下す際、裁判官は「この裁判の目的は、中国人でありながら中国を裏切った漢奸を裁くことにあるのだから日本国籍を完全に立証したあなたは無罪だ。しかし、一つだけ倫理上、道義上の問題が残っている。それは、中国人の名前で 『支那の夜』 など一連の映画に出演したことだ。法律上、漢奸裁判には関係ないが、遺憾なことだと本法廷は考える」と付言を加え、李香蘭は「若かったとはいえ、考えが愚かだったことを認めます」と頭を下げて謝罪した。
1946年（昭和21年）2月28日、李香蘭と似ても似つかぬように化粧を落とし、もんぺ姿で引揚船に乗船しようとしたが、中華民國側の女性出入国管理官に李香蘭と見破られ、再度収容所に連れ戻されてしまった。それから10日後に誤解は解け、1ヶ月後の3月末に今度こそ出国できることになった。李香蘭は乗船するや否や一旦はトイレに身を潜めたが、船が港を離れてからデッキで遠ざかる上海の摩天楼を眺めていると、船内のラジオ放送から聞こえてきたのは、奇しくも自分の歌う『夜來香』だった。
女優「山口淑子」として
帰国した後、翌年には旧姓（当時の本名）「山口淑子」に戻って銀幕に復帰、日本映画を中心に活躍した。主演作では、池部良と共演した1950年（昭和25年）の『暁の脱走』などが名作として名高い。『わが生涯のかがやける日』では森雅之と、『醜聞』では三船敏郎と共演している。
また、アメリカに渡り、アクターズ・スタジオの講師から演技を学び、シャーリー山口（Shirley Yamaguchi）の名でハリウッド映画に主演したり、ブロードウェイでのミュージカルにも主役で出演した。その頃ニューヨークで彫刻家イサム・ノグチと知り合い、1951年に結婚。鎌倉の北大路魯山人の邸宅敷地内にアトリエと住まいを構えたが、1955年（昭和30年）に離婚する。
1952年（昭和27年）から1958年（昭和33年）に掛けてはイギリス領香港のショウ・ブラザーズ社の映画『金瓶梅』、『神秘美人』、『一夜風流』に主演。中国語圏で「李香蘭」の名を復活させた。また同時に香港の百代唱片公司で10数曲の主演映画の主題歌を吹き込み、映画と共にリリースしヒットさせる。それらは今もスタンダード・ナンバーとして、世界の中国人・華人の間で歌い継がれている。「三年」「梅花」「小時候」「十里洋場」「分離」等々。
1958年（昭和33年）に日本人外交官で、駐ビルマ日本大使館の三等書記官（国連大使の加瀬俊一の秘書官も務めた）の大鷹弘（元駐ミャンマー特命全権大使、2001年（平成13年）4月に73歳で死去）と再婚し、20年にわたる女優業を引退する。引退直前には原節子の呼びかけにより、芸能生活20周年記念映画として『東京の休日』が製作された。それは三船敏郎、池部良、越路吹雪などの東宝オールスターが出演する豪華なものとなった。そしてこの映画が最後の出演映画となった。その後はマスコミに一切姿を見せなかったものの、1969年（昭和44年）に、「山口淑子」の名でフジテレビのワイドショー『3時のあなた』の司会者になり、芸能界へのカムバックを果たす。番組ではベトナム戦争中の南ベトナムやカンボジア、中東などの海外取材も行う。朝日放送が製作した「こんにちわ北朝鮮」という番組ではリポーターを務め、北朝鮮を訪問。金日成国家主席と会談している。