Tanaka nacque a Itami, nella prefettura di Hyōgo, in Giappone. Iniziò a giocare a baseball in prima elementare come ricevitore per una squadra della Little League, suo compagno di squadra fu l'interbaseHayato Sakamoto, anche lui futuro giocatore professionista.[1] Mentre frequentava le scuole medie Tanaka cominciò a essere impiegato come lanciatore, alternando questo ruolo a quello di ricevitore, già da lui praticato fin dagli inizi.
Tanaka fu scelto dai Tohoku Rakuten Golden Eagles al primo round del draft 2006. Debuttò nella NPB il 29 marzo 2007 contro i Fukuoka SoftBank Hawks. Tra il 2012 e il 2013, vinse 26 partite consecutive segnando un nuovo record in NPB.[2]
Tanaka fu svincolato dagli Eagles al termine della stagione 2013, per la volontà del giocatore di approdare in una squadra americana, accettò quindi il 22 gennaio 2014 un contratto di 7 anni e 155 milioni di dollari offerto dai New York Yankees; il quinto contratto più costoso nella storia della MLB mai stipulato per un lanciatore.[3] Debuttò nella MLB il 4 aprile 2014, al Rogers Centre di Toronto, contro i Toronto Blue Jays.
Il 28 gennaio 2021, Tanaka firmò un contratto biennale dal valore complessivo di 900 milioni di yen (circa 8.6 milioni di dollari) con i Tohoku Rakuten Golden Eagles della Nippon Professional Baseball. L'accordo è il più alto mai stipulato nella storia della NPB. [4]