Contrairement à bon nombre de ses compatriotes, Ukyo Katayama a déjà couru en dehors de son pays natal lorsqu'il débute en Formule 1.

Ukyo débute dans l'équivalent de la Formule Ford japonaise, la FJ 1600. Il court à Tsukuba en 1983 et termine premier dans la classe B, puis s'impose l'année suivante dans la classe A à Suzuka. En 1985, en plus de courir la saison de F3 japonaise, il part en France à l'école de conduite Formule Renault, ce qui lui permet de prendre les commandes d'une Formule Renault pour l'année 1986, avec également un passage en F3 en seconde moitié de saison. Après une année supplémentaire en France, il revient au pays pour se concentrer sur la F3000 japonaise. Il y passe quatre saisons, en plus de quelques courses du championnat du monde de F3000 en 1989 avec Footwork, avec de piètres résultats. La saison 1991 le voit s'imposer à deux reprises sur le circuit de Suzuka, et décroche ainsi la consécration. Ukyo reçoit ainsi l'opportunité de courir en Formule 1.

Sa première monoplace est une Venturi avec laquelle il réussit à se hisser jusqu'à la cinquième place au Canada, avant que son moteur ne le trahisse. Mais dans l'ensemble de la saison, ses résultats seront des plus décevants. En 1993, il décide de quitter le constructeur français et apporte son sponsor chez Tyrrell. Au volant d'une 021 équipée d'un moteur Yamaha, c'est encore une fois une belle désillusion pour le pilote nippon, qui est toujours à la traîne que ce soit en qualifications ou en course. Ukyo repose tous ses espoirs sur le nouveau châssis 022 pour l'année 1994. C'est une bonne année pour le japonais qui d'emblée rentre dans les points, avec une cinquième place à Interlagos. Il réitère sa performance à Imola, et marque un point supplémentaire en Grande-Bretagne. Le reste du temps, Ukyo doit abandonner alors qu'il est assez bien placé, à Hockenheim il profite des deux carambolages qui ont lieu au départ pour se retrouver virtuellement sur le podium, mais de façon éphémère, en effet son accélérateur lui fait défaut bien vite.

Mais les progrès réalisés par l'équipe Tyrrell ne se poursuivent pas au cours de l'année 1995. En plus de composer avec une monoplace moins performante et moins fiable, il ne tient pas la comparaison avec Mika Salo son coéquipier. L'année suivante voit Ukyo toujours terminer avec un score vierge et de nombreux abandons en course, ce qui entache sa motivation à poursuivre sa carrière en F1. Pourtant, il est de nouveau au rendez-vous en 1997 avec Minardi. La monoplace parvient tout juste à passer le barrage des qualifications, et face à un Jarno Trulli qui le surpasse, alors qu'il est novice en F1, Ukyo prend finalement en fin d'année la décision d'arrêter la compétition en Formule 1.

Il court les 24 heures du Mans en 1998 avec Toyota et termine neuvième, puis se hisse au deuxième rang l'année suivante avec Tsychiya et Toshio Suzuki. A partir de 1999 il court le championnat japonais de GT et monte sur le podium à Suzuka, puis remporte une victoire à Sepang en 2000. Et en 2001, ce passionné d'alpinisme réalise son rêve, celui de vaincre le mont Everest. Ukyo Katayama court en championnat JGTC jusqu'en 2003 et il participe plusieurs fois au Paris-Dakar au volant d'une Toyota.