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

Il commence dans l'équivalent de la Formule Ford japonaise, la FJ 1600. Il court à Tsukuba en 1983 et termine premier dans la catégorie B, puis s'impose l'année suivante dans la catégorie A à Suzuka. En 1985, il court la saison de F3 japonaise et part en France pour l'école de conduite Formule Renault, ce qui lui permet de prendre les commandes d'une Formule Renault pour l'année 1986, tout en courant également en F3 pendant la seconde moitié de la saison. Après une année supplémentaire en France, il revient au pays pour se consacrer à 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 est celle de la consécration pour Ukyo, qui s'impose à deux reprises sur le circuit de Suzuka. Ukyo reçoit alors l'opportunité de courir en Formule 1.

Sa première monoplace est une Venturi avec laquelle il parvient à se hisser jusqu'à la cinquième place au Canada, mais son moteur finit par le trahir. Mais, dans l'ensemble, ses résultats seront des plus décevants et il termine l'année sans avoir marqué de point. En 1993, il décide de quitter le constructeur français et emmène son sponsor chez Tyrrell. Au volant d'une 021 équipée d'un moteur Yamaha, le pilote nippon connaît une nouvelle fois une belle désillusion, tant en qualifications qu'en course. Il abandonne à onze reprises sur seize Grands Prix, son meilleur résultat étant une dixième place en Hongrie. Ukyo fonde tous ses espoirs sur le nouveau châssis 022 pour la saison 1994.

C'est une bonne année pour le Japonais qui, d'emblée, rentre dans les points, avec une cinquième place à Interlagos. Il réitère cette performance à Imola et marque un point supplémentaire en Grande-Bretagne. Le reste du temps, Ukyo doit abandonner alors qu'il est plutôt bien classé ; à Hockenheim, il profite des deux carambolages qui ont lieu au départ pour se retrouver virtuellement sur le podium, mais cette place est éphémère, car son accélérateur lui fait défaut rapidement.

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 son coéquipier Mika Salo. L'année suivante, Ukyo termine avec un score vierge et de nombreux abandons en course, ce qui entame 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 la décision d'arrêter la compétition en Formule 1 en fin d'année.

Il court les 24 Heures du Mans en 1998 avec Toyota et termine neuvième, puis se hisse au deuxième rang l'année suivante avec Tsutomo Tsutamoto 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. Passionné d'alpinisme, il réalise son rêve de vaincre le mont Everest en 2001. Ukyo Katayama court en championnat JGTC jusqu'en 2003 et participe plusieurs fois au Paris-Dakar au volant d'une Toyota.