Kamui Kobayashi débute par le Karting à l'âge de dix ans, en 1996. En sept saisons dans cette discipline, il décroche quatre titres.

En 2003, il fait, à dix-sept ans, ses débuts en monoplaces en participant au championnat de Formule Toyota. Il finit vice-champion derrière Kazuki Nakajima. Ces bons résultats lui permettent d'intégrer le Toyota Young Drivers Program, la structure sensée permettre aux « produits » de Toyota d'accéder en Formule 1. Kamui débarque en 2004 en Europe et dispute le championnat d'Italie de Formule Renault. Sa première saison est assez satisfaisante puisqu'il finit quatrième du championnat. C'est en 2005 qu'il éclate au grand jour, en remportant les championnats italien et européen.

En 2006, le jeune Japonais dispute le championnat de F3 Euroseries, au sein de la prestigieuse écurie ASM. Cette saison plutôt satisfaisante se finit au huitième rang. Il se fait surtout remarquer en gagnant la première manche de la fameuse course de Macao. En 2007 Kamui est nommé pilote essayeur de Toyota en Formule 1. Il doit toutefois justifier cet honneur en essayant de remporter les F3 Euroseries. Il n'y parvient pas, terminant quatrième du championnat avec une victoire.

Pour 2008, Kamui passe à l'étage supérieur et intègre le GP2 avec l'équipe DAMS. Toyota le conserve dans son équipe de F1, lui donnant même le titre de troisième pilote à la place de Franck Montagny. Début 2008, lors des GP2 Asia, le Japonais montre un bon potentiel en gagnant deux courses. Mais en Europe, sa saison est très médiocre. En dehors d'une victoire en ouverture à Barcelone, il n'inscrit quasiment aucun point et finit à une piteuse seizième place. Son élan semble alors brisé.

Kamui est toutefois conservé par Toyota et DAMS pour la saison 2009. A nouveau, il se montre très bon en GP2 Asia durant l'intersaison, puisqu'il parvient à remporter le championnat avec deux succès. Mais comme l'année précédente, Kamui s'écroule lorsque le vrai championnat débute. Le malheureux Japonais connaît une saison épouvantable, avec seulement une troisième place décrochée au Nürburgring et une nouvelle seizième place finale à la clé.

Formule 1

A la fin de la saison 2009, son avenir s'inscrit en pointillé. Mais la chance va lui sourire. Au Grand Prix du Japon de Formule 1, il remplace sur la deuxième Toyota pour les essais du vendredi Timo Glock malade. Le samedi, l'Allemand est victime d'un gros accident qui le contraint à déclarer forfait. Il est alors trop tard pour que Kamui puisse disputer la course, mais la convalescence de Glock étant plus longue que prévu, le Japonais est finalement titularisé pour le Grand Prix du Brésil.

Au vu de ses piètres résultats en GP2, les observateurs ont peine à croire que Kamui puisse réussir quelque chose dans une F1. Et pourtant il parvient à se hisser à la onzième place sur la grille, après des qualifications disputées sous des trombes d'eau. La course du Japonais débutant est excellente. Très bien parti, il occupe en début de course la sixième place et résiste longtemps au futur champion du monde Jenson Button. Après son ravitaillement et un accrochage avec Nakajima, il recule dans la hiérarchie, mais termine tout de même dixième, après un très beau dépassement sur la Ferrari de Fisichella. Kamui a donc impressionné pour sa première sortie en F1, et il va confirmer lors de la dernière course à Abou Dhabi, Glock ne pouvant pas revenir. Qualifié cette fois-ci au douzième rang, le Japonais remonte jusqu'à la sixième place et inscrit ainsi ses trois premiers points en F1, devant son équipier Jarno Trulli.

Avec de tels débuts, il semble en bonne position pour être titularisé par Toyota en 2010. Mais quelques jours après la fin du championnat, le constructeur japonais annonce son retrait de la Formule 1. Kamui est donc contraint d'aller voir ailleurs. En contacts avec Renault, il décide finalement de signer avec Sauber-Ferrari, l'ex-équipe BMW que Peter Sauber a rachetée après le départ de la marque bavaroise.

Le début de la saison 2010 est très délicat du fait des nombreux soucis de fiabilité frappant la C29. De plus sa fougue lui fait commettre quelques erreurs marquantes, notamment au Canada où il tape le mur « Bienvenue au Québec » dès le premier tour en tentant de passer Hülkenberg. En revanche il prend le dessus sur son coéquipier le vétéran Pedro de la Rosa.

A partir de la mi- saison, grâce à une Sauber plus performante et fiable, le jeune Japonais peut montrer de quoi il est capable. A Valence, il est troisième une bonne partie de la course grâce à une stratégie décalée, puis se permet dans les derniers tours de dépasser au forceps la Ferrari d'Alonso et la Toro Rosso de Sébastien Buemi jusqu'à finir septième. Deux semaines plus tard à Silverstone il confirme par une belle sixième place et désormais entre souvent dans les points. Surtout il devient un spécialiste des dépassements spectaculaires, devenant la principale animation du peloton. Son Grand Prix national à Suzuka est à cet égard exemplaire. Il produit un véritable festival en doublant, parfois au « chausse-pied », Buemi, Alguersuari ou encore Barrichello et obtient la septième position, devant son nouvel équipier Nick Heidfeld, lui-même très expérimenté.

Au final Kamui inscrit trente-deux des quarante-quatre points inscrits cette saison-là par Sauber et apparaît comme l'étoile tant attendue par le Japon. Une sacrée revanche pour un pilote qui un an auparavant ne semblait même capable de tenir son rang en GP2. Son contrat est prolongé par Peter Sauber en vue de 2011, où il est associé à un autre jeune prodige, le Mexicain Sergio Pérez.

Le début de cette nouvelle saison est idéal pour le Japonais. Au volant d'une nouvelle machine plus fiable et plus rapide que celle de l'année précédente, il parvient à entrer dans les points lors des sept premiers Grand Prix. Faisant toujours preuve d'une sacrée maestria au volant, il réalise quelques authentiques exploits. Ainsi en Turquie où s'élançant vingt-quatrième et dernier, il parvient à se hisser en dixième position. Mais c'est surtout dans les rues de Monaco qu'il démontre une belle virtuosité, en terminant cinquième, n'ayant cédé la quatrième place à Mark Webber que deux tours avant la fin. Au Canada, sous la pluie, il démontre son talent d'équilibriste en amenant sa machine en deuxième position pendant plus de trente tours, avant de se faire dépasser par des machines plus rapides lorsque la piste s'assèche. Mais il finit tout de même septième.

Toutefois la deuxième partie de la saison amène quelques nuages. Les performances générales de la Sauber ne progressent plus et l'équipe suisse se fait dépasser en termes de compétitivité par Force India et Toro Rosso. La zone des points devient plus difficile à atteindre. Surtout le jeune Pérez, assez discret jusque-là, commence à faire jeu égal avec Kamui et même à l'éclipser sur certaines courses. Ainsi, tandis que Kamui avait inscrit vingt-sept points lors des dix premières courses, il n'en marque que trois lors des neuf dernières. Certes la malchance s'en mêle, comme à Monza où il est trahi par sa boîte de vitesses, ou en Inde où il est pris dans un accrochage au départ. Mais le vaillant samouraï paraît aussi parfois frappé d'atonie. Pour sa course nationale à Suzuka, il se qualifie brillant septième, mais ne termine la course qu'à une anonyme treizième place. Heureusement pour lui la saison se termine sur une note positive, avec deux entrées dans les points. A Abou Dhabi, il met même un point d'honneur à voler la neuvième place à l'impertinent Pérez.

Finalement, Kamui termine de nouveau le championnat à la douzième place, avec trente points soit deux de moins qu'en 2010.

Peter Sauber conserve toute sa confiance au Japonais pour 2012. Cette année-là les Sauber-Ferrari affichent d'importantes ambitions et Kamui comprend qu'il lui faut briller de nouveau face à Pérez, couvé par Ferrari.

Et effectivement, la nouvelle C31 est une réussite : après des qualifications ratées en Australie, le nippon termine sixième et Pérez huitième. Pérez signe même un incroyable podium en Malaisie et montre que la voiture a du potentiel, tandis que Kamui abandonne. Il se qualifie troisième en Chine mais après un mauvais départ, il ne peut terminer que dixième, avec néanmoins son premier meilleur tour en course. Après une course anonyme à Bahreïn, il se relance en Espagne où il signe une très belle cinquième place. Il abandonne à Monaco et à Valence, et n'est qu'un décevant neuvième au Canada tandis que Pérez décroche un nouveau podium. En Allemagne, il termine quatrième et se qualifie en deuxième position à Spa. Malheureusement, il est impliqué dans le carambolage du départ et finit hors des points. Pérez monte une nouvelle fois sur le podium à Monza et Kamui doit réagir : c'est ce qu'il fait magnifiquement à domicile, au Japon, avec une très belle troisième place ! Un exploit qui n'est pas sans rappeler Aguri Suzuki en 1990. Il termine la saison en dominant son équipier et en inscrivant dix points supplémentaires. Avec soixante points, sa saison 2012 est une réussite, mais quelque peu barrée par les trois podiums de Pérez. Sauber se sépare de Kamui et il se met à la recherche d'un volant pour 2013, en vain.

Il se dirige alors vers l'écurie AF Corse (Ferrari) en GTE Pro. Il pilote également une Ferrari lors d'une démonstration à Moscou et se fait remarquer par un accident devant les centaines de fans... Mais son objectif premier est un retour en F1 dès 2014. Grâce à ses fans, il récolte quelques millions et séduit Caterham, en quête de liquidités et d'un pilote d'expérience.

Pour son retour dans la discipline reine, il se qualifie à une excellente quatorzième place mais un problème de freins met fin à ses espoirs en course, puisqu'il percute Massa au premier virage. La suite de la saison est prévisible pour lui : la Caterham est la pire monoplace du plateau et il se bat pour les dernières places du classement, notamment avec le pilote Marussia Jules Bianchi. Kamui domine avec facilité son équipier Marcus Ericsson et termine deux fois 13ème en course. Mais Caterham préfère l'argent au talent et écarte le japonais le temps du Grand Prix de Belgique, où André Lotterer le remplace. Il est désormais clair qu'il n'est plus vraiment désiré au sein des verts et la situation est de plus en plus inquiétante. Sans argent, Caterham conserve des pièces usagées sur plusieurs manches et Kamui en fait les frais à Sotchi, où ses freins cèdent. Caterham fait l'impasse sur les États-Unis et le Brésil mais dispute le dernier Grand Prix à Abu Dhabi grâce aux dons des fans. Il abandonne en course et dit adieu à ses espoirs pour 2015, où l'argent est préféré par de plus en plus d'écuries. Il quitte ainsi la F1, en ayant mérité bien mieux que cette fin de carrière.

L'après F1

Kamui retourne alors au Japon en 2015, en Super Formula. Il termine cinquième du championnat puis se dirige vers le WEC pour 2016, où il retrouve Toyota en LMP1.

Coéquipier de Mike Conway et Stéphane Sarrazin, le japonais profite de la montée en puissance de Toyota dans le championnat. Deuxième aux 24H du Mans, il termine à la troisième place du championnat, signant même une victoire à domicile aux 6H de Fuji. Plus en difficulté la saison suivante, il revient aux avant-postes lors de la « super-saison » du WEC, profitant du retrait de Porsche. Présent aussi en championnat IMSA, il signe deux victoires consécutives aux 24H de Daytona au volant s'une Cadillac avec des coéquipiers renommés (Fernando Alonso, Scott Dixon).

Souvent malheureux au Mans, Kamui va progressivement devenir l'un des meilleurs pilotes du circuit des 24H : auteur du temps record du circuit en 2017, il obtient trois poles consécutifs de 2019 à 2021.

Sacré champion du monde d'endurance lors de la dernière course de la saison 2019-2020, il conserve son titre lors de la saison suivante et remporte enfin les 24H du Mans en 2021.