Satō, durante la propria adolescenza, praticava ciclismo, mostrando ottime qualità tanto da avere una certa possibilità di diventare un ciclista professionista, ma abbandonò tale carriera perché sosteneva che in bici si andava troppo piano. Chiusa la parentesi ciclistica, nel 1998 si trasferì in Inghilterra per proseguire la sua carriera nelle serie automobilistiche europee, prima in Junior Formula poi nella Formula 3 britannica alla fine del 1999. Nel 2000, alla fine della seconda stagione completa in Formula 3, conquista il titolo dopo aver vinto 16 gare in due anni, in aggiunta alle gare internazionali di Spa, Zandvoort e Macao.
Formula 1
2002: Jordan
Grazie all'appoggio del costruttore giapponese Honda, nel 2002 Satō ottiene un posto in Formula 1 con la Jordan, con cui firma un contratto biennale con un'opzione per i successivi due a favore del team irlandese.[2] All'inizio del campionato si dimostra veloce ma ancora inesperto, come in un incidente a Monte Carlo in cui distrugge la sua macchina e quella del compagno di squadra Giancarlo Fisichella. Successivamente diventa più costante classificandosi sempre nei primi 12 nelle ultime 6 gare e cogliendo un ottimo 5º posto nel Gran Premio del Giappone.
2003-2005: BAR
Nella stagione 2003, Satō si trasferisce alla BAR motorizzata Honda come terzo pilota e collaudatore, svolgendo con successo i test e partecipando al posto di Jacques Villeneuve all'ultima gara della stagione, il Gran Premio del Giappone, in cui arriva inaspettatamente sesto. Viene promosso pilota titolare dalla scuderia nipponica nella stagione 2004, durante la quale impressiona per la velocità e l'aggressività della guida, spesso ancora abbinata ad inesperienza ed imprecisione. Nel Gran Premio degli Stati Uniti ottiene il suo primo podio in carriera (e secondo in Formula 1 per un pilota giapponese dopo quello di Aguri Suzuki nel Gran Premio del Giappone 1990) alle spalle delle due Ferrari di Michael Schumacher e di Rubens Barrichello; chiude la stagione 8º nella classifica mondiale con 34 punti (il suo miglior risultato in carriera) aiutando la BAR a raggiungere il secondo posto nel campionato costruttori. Nel campionato 2005, complice una vettura meno competitiva dell'anno precedente, fatica ad esprimere la propria velocità, mentre continuano a manifestarsi errori ed imprecisioni. Negli ultimi gran premi dell'anno Satō viene fortemente criticato dagli altri piloti per avere causato incidenti evitabili, per esempio con Jarno Trulli in Giappone o con Michael Schumacher in Belgio; conclude 23º in classifica con 1 solo punto.
2006-2008: Super Aguri
Nella stagione 2006, Satō si trasferisce nel nuovo team giapponese Super Aguri, satellite della Honda e della ARTA; a causa della non competitività del mezzo, il pilota giapponese è costretto a una stagione molto difficile, sempre ancorato nelle ultime posizioni e senza ottenere punti; i suoi migliori risultati della stagione furono un 12º posto in Australia e un 10º in Brasile, grazie al quale riesce a rimanere aggrappato al 23º posto della classifica piloti. Nella stagione 2007 viene confermato alla Super Aguri con la quale disputa una buona stagione; nel Gran Premio di Spagna giunge 8º, portando alla scuderia giapponese i primi punti della sua storia, mentre in Canada ottiene il 6º posto, miglior risultato della storia del team; conclude il mondiale 17º con 4 punti portando il team al 9º posto nella classifica costruttori. Nella stagione 2008 è ancora accasato alla scuderia nipponica (questa si rivelerà, senz'ombra di dubbio, la stagione più fallimentare della carriera di Satō con 4 gran premi disputati senza prendere alcun punto). Con il ritiro della Honda dalla Formula 1 Satō perde il costruttore che lo aveva appoggiato in tutta la sua carriera nella massima formula e prova ad accordarsi per la stagione 2009 con la Toro Rosso, ma dopo aver disputato alcuni test tra novembre e dicembre 2008 il forfait di alcuni sponsor del pilota giapponese fanno saltare l'accordo. Durante il campionato 2009 si era parlato di Satō in procinto di sostituire Sébastien Bourdais sempre alla Toro Rosso, ma non se ne fece nulla.
Il 28 maggio 2017 vince per la prima volta la 500 Miglia di Indianapolis, alla 101ª edizione, la più prestigiosa gara del campionato Indycar, partendo dalla quarta posizione ottenuta in qualifica.[1]