나가노 현 출생. 어릴 때부터 영화 보기를 좋아했다. 26살에 회사를 그만두고 도쿄로 올라와 낮에는 아르바이트를, 밤에는 학교에서 각본 쓰기를 공부했다. 2006년 〈전속력 아저씨〉로 제6회 이사마스튜디오영화제 시나리오대상에서 장려상을 받았고, 당시 심사위원의 추천으로 소설을 쓰기 시작했다. 이후 제1회 후지산·가와구치코영화제 시나리오콩쿠르 심사위원상(2008), 2010년에 MONO-KAKI 대상 시나리오 부문에 가작 입선했다. 2011년에 발표한 소설 『저지먼트』가 제33회 소설추리신인상을 수상하고 2016년 단편 〈사이렌〉이 제69회 일본추리작가협회상 후보로 선정되면서 소설가로도 주목받는다.

고바야시 유카는 학교폭력, 종교적 문제, 무차별 살인, 아동학대 등 부조리한 현실 속에서 발생하는 피해자와 그 가족, 유족들의 이야기를 담담하면서도 생생하게 그리는 작품을 연이어 발표하고 있다. 유족의 복수를 그린 데뷔작 『저지먼트』, 피해 아동의 구제를 다룬 『구원의 숲』, 학교폭력 피해자 간의 연대를 다룬 『죄인이 기도할 때』까지 소년에게 가해지는 폭력을 주로 다룬다. 시나리오 작가로 시작한 경력을 반영하듯 가슴을 울리는 대사와 저절로 머릿속에 영상이 떠오르는 묘사가 특기이다. 지은 책으로는 『이노센스』(2020), 『아직 사람을 죽이지 않았습니다』(2021), 『티그리디아의 비』(2021) 등 있다.