吉川元春の三男。天正15年（1587年）に吉川家当主となり、出雲・伯耆等14万石を領した。天正19年（1591年）、米子の湊山に米子城の築城を開始したが、関ヶ原の戦い（1600年）で毛利輝元が西軍総大将に担がれると、広家は独断で徳川方に内通し、南宮山で毛利本隊を動かさなかった。この行動により毛利家は改易を免れたが大幅減封され、広家自身は周防岩国3万石の領主となった。米子城の完成は見届けられず、慶長13年（1608年）には岩国の横山山頂に岩国城を築いたが、一国一城令によりわずか7年で廃城となった。

毛利家の存続を第一に考え、独断で徳川方と交渉するという大きなリスクを取った現実主義者。築城にも意欲的で、米子・岩国の2つの城の礎を築いた。

関ヶ原での内通は毛利家中で長く評価が分かれたが、結果として毛利家を改易から救った。岩国領主として岩国の礎を築き、その子孫は明治まで岩国領を治めた。