Champion du Japon en Karting en 1997, Takuma Sato tente sa chance en Europe à partir de 1998 dans le championnat anglais de F3 Opel qu'il remporte un an plus tard. Passé en F3, il remporte le championnat anglais en 2001 ainsi que la célèbre épreuve de Macao.

En F1 avec Jordan

Couvé par Honda, Takuma semble prêt à se lancer en F1 et le motoriste japonais l'impose alors à l'écurie Jordan pour la saison 2002. Pour cette première saison il se fait surtout remarquer par ses crashs spectaculaires qui provoquent l'agacement d'Eddie Jordan. Deux exemples : à Sepang, il commet le pire qu'il puisse arriver à une écurie : il accroche son propre équipier Fisichella ! A Zeltweg, il se fait percuter très violemment par la Sauber d'Heidfeld. Il n'est que très sonné, mais son absence de réaction pendant un bon quart d'heure a fait craindre le pire. Malgré tout, pour le dernier Grand Prix au Japon devant son public, Takuma fait une superbe démonstration en arrachant la cinquième place et en offrant à Jordan la sixième place du championnat constructeurs.

BAR

En 2003, il trouva refuge chez BAR, comme pilote essayeur. A Suzuka, de nouveau devant ses fans, il dispute même la dernière manche du championnat en remplacement de Jacques Villeneuve, et encore avec un bon résultat: une sixième place et les trois points qui vont avec.

Devenu titulaire aux côtés de Jenson Button en 2004, Takuma va être la révélation de la saison. Très rapide, il est souvent stoppé en course par un moteur fragile mais quand ce dernier tient le coup, il finit souvent bien placé. Pour preuve ses 34 points marqués et sa huitième place au classement final (meilleur performance pour un Japonais) qui persuade BAR-Honda de le garder pour la saison 2005. Son principal coup d'éclat eut lieu au Grand Prix des Etats-Unis où il finit troisième et devient ainsi le second japonais de l'histoire à monter sur un podium de Formule 1. Il devient également le premier nippon à mener une course, au Nürburgring, mais son moteur rend l'âme alors qu'il était troisième. Mais ce jour-là, il gagne surtout l'admiration grâce à un dépassement très osé sur l'intouchable Ferrari de Rubens Barrichello.

Cette saison 2005 sera cependant globalement moins bonne. A Sepang, Takuma est malade et doit céder sa place à l'essayeur Anthony Davidson. A Imola, il finit cinquième, mais l'écurie BAR est disqualifié et exclu pour deux Grand Prix pour avoir triché en installant un second réservoir secret. Les BAR font leur retour au Nürburgring, sans marquer de points, la voiture n'étant efficace que sur les circuits d'accélération-freinage, comme Montréal, où Takuma abandonne sur problème de frein. A mi-saison, son score et celui de BAR sont toujours vierges! La suite de l'année ne sera qu'un long calvaire pour Takuma, totalement dominé par Button. Il cause aussi un tel nombre d'accrochages en fin de saison (Schumacher et Trulli en savent quelque chose notamment), qu'une « Takuma » deviendra au sein du paddock synonyme d'une attaque suicide! A la fin de l'année, BAR ne veut plus de lui, mais Honda tient à son pilote fétiche.

Super Aguri

C'est ainsi qu'en 2006, il intègre l'équipe Super Aguri Honda, petite structure 100% japonaise dirigée par Aguri Suzuki et soutenue financièrement par Honda. L'écurie ne disposant pas de voitures aux normes pour la saison 2006, elle débuter la saison avec d'antiques Arrows A23 de 2002! Avec un tel matériel, il ne peut évidemment pas briller et termine bien souvent bon dernier lorsqu'il parvenait au terme de la course, car la fiabilité des « Arrows-Aguri » était bien aléatoire. A partir du Grand Prix d'Allemagne, une nouvelle voiture fait son apparition. Meilleure que sa devancière, elle permet à Takuma de battre parfois les Midland. Pour la dernière course au Brésil, il réussit même à se classer dixième à la régulière, un vrai petit exploit !

En 2007, Takuma est toujours chez Super-Aguri, au côté du Britannique Anthony Davidson. La nouvelle monoplace de l'équipe n'est autre que la Honda de 2006 à peine modifiée, mais elle va tout de même permettre aux pilotes de figurer devant les Toro Rosso et les Spyker. En début de saison, Takuma pourra même l'amener parfois en milieu de grille. Au Grand Prix d'Espagne, il finit huitième et offre ainsi à l'écurie son tout premier point en championnat du monde. A Montréal, il fait encore mieux en obtenant la sixième place après avoir dépassé la McLaren d'Alonso ! La seconde partie de saison sera moins bonne. La voiture manque de développement et Takuma se classe à nouveau en fond de peloton. De plus, il se retrouve souvent derrière son équipier qu'il avait pourtant dominé en début de saison.

Mais qu'importe, il a tout de même fait une belle saison, et on le retrouve en 2008 chez Super-Aguri-Honda. Cependant, au cours de l'hiver, la situation financière de l'équipe se dégrade fortement, au point qu'il est impossible de faire rouler la nouvelle SA08 avant le début de la saison en Australie. Lors des quatre premières courses du championnat, il se retrouve donc en fond de grille, mais il parvient tout de même à ramener trois fois sa voiture à l'arrivée. Mais peu avant le Grand Prix de Turquie, Suzuki annonce qu'il n'est pas arrivé à trouver un repreneur à son équipe et que l'aventure Super Aguri s'arrête là.

L'après-F1

Takuma se retrouve par conséquent sans emploi. Fin 2008, il est largement pressenti pour obtenir en 2009 le volant d'une Toro Rosso. La petite équipe italienne le teste à plusieurs reprises, en même temps que le titulaire du baquet convoité, le Français Sébastien Bourdais. Grâce à ses sponsors, le Japonais pouvait espérer obtenir facilement ce volant. Mais la crise économique entraîne le désistement des commanditaires du Japonais, et Toro Rosso décide de garder Bourdais.

Takuma se retrouve sans volant en Formule 1 pour 2009. Toutefois son nom est régulièrement évoqué pour remplacer plusieurs pilotes sur la sellette, notamment Nelsinho Piquet chez Renault, sans succès. Pour la saison 2010, il postule à nouveau pour un baquet mais aucune piste sérieuse ne se présente.

Finalement, à l'âge de 33 ans, il décide de tourner la page de la Formule 1 et de rejoindre l'IndyCar. En février 2010, il s'engage ainsi avec l'équipe KV Racing. Il réalise une première saison extrêmement moyenne. Il retrouve alors la maladresse qui caractérisait ses débuts en Formule 1 et enchaîne les accidents : en dix-huit courses, il ne voit le drapeau à damiers que six fois. Sur ovale, il se classe deux fois très bien en fin de course avant de finir dans le décor. En 2011, il signe ses deux premières pole positions en IndyCar, sur les circuits d'Iowa et d'Edmonton.

L'année suivante, il rejoint l'écurie Rahal Letterman Lanigan Racing. Lors des 500 miles d'Indianapolis, il dépasse Scott Dixon et se retrouve deuxième à deux tours de l'arrivée. Il tente ensuite de dépasser Dario Franchitti pour la victoire dans le dernier tour, mais termine sa course dans le mur, se classant officiellement quatorzième.

En 2013, il intègre l'équipe A. J. Foyt Enterprises et remporte sa première victoire dans la discipline lors du Grand Prix de Long Beach, occupant provisoirement la tête du classement général. Il reste fidèle à cette équipe jusqu'en 2016, obtenant deux nouvelles pole positions en 2014 et un podium à Détroit en 2015.

En 2017, il rejoint Andretti Autosport. Tout au long de l'année, il affiche une vitesse solide, mais une certaine irrégularité, alternant les bons résultats et les courses plus compliquées, restant fidèle à son style très offensif, résumé par sa devise : « No attack, no chance ». Mais cette saison est surtout marquée par sa victoire historique lors des 500 Miles d'Indianapolis, après une fin de course très disputée face à Hélio Castroneves. Il devient ainsi le premier pilote japonais à remporter cette épreuve mythique. Il termine la saison avec une victoire, plusieurs arrivées dans le top 5 et se classe 8e au championnat, faisant de 2017 l'une des saisons les plus marquantes de sa carrière.

En 2018, il rejoint l'écurie Rahal Letterman Lanigan et remporte la course de Portland. En 2019, il ajoute deux victoires à son palmarès, au Barber Motorsports Park et à Gateway. En 2020, il remporte pour la deuxième fois les 500 Miles d'Indianapolis. Après une dernière année complète avec Rahal Letterman Lanigan en 2021, il rejoint l'écurie Dale Coyne Racing en 2022. A partir de 2023, il oriente sa carrière vers un programme partiel axé sur les circuits ovales avec Chip Ganassi Racing. En 2024 et 2025, il participe à nouveau à l'Indy 500 avec Rahal Letterman Lanigan Racing. Lors de l'édition 2025, il mène l'épreuve pendant 51 tours, mais une erreur lors d'un arrêt aux stands le relègue à la onzième place finale.