Sato yarışmaya 1996'da başladı. Japon pilot kendisine bir KART alabilmek için para biriktirmeye başladı ve Honda okuluna kabul edilen Sato'nun yükselişi başladı Honda kendisini destekledi ve 1998'de All Japan Formula three Championship'te yüksek maaşla yarışmasını sağladı. Ancak o bu fırastı değerlendirmektense Avrupa'ya gitmeyi tercih etti.

Diamond Racing takımı ile Formula Vauxhall serisinde yarıştıktan sonra Formula Opel serisine geçti. 1999'da ilk kez bir tam sezonda yarışan Sato Formula Opel Euroseries'i altıncı sırada bitirdi. Aynı zamanda British F3 Championship serisinin son birkaç yarışına katıldı.

Carlin Motorsport'tan B notu alan Sato 2000 yılında A notu almayı başardı ve seriyi 3. sırada bitirdi.

F1 ile ilk tanışması BAR ve Jordan adına yaptığı testler ile oldu. BAR takımı ile 2001 yılı için test pilotluğu sözleşmesi yaptı.

F3'e devam eden Sato 13 yarıştan 12'sini kazanarak şampiyon oldu. Ayrıca Marlboro Masters serisinde Zandvoort ve Macau'da galibiyet aldı.

2002 yılında Jordan ile kontrat yapan Sato, Giancarlo Fisichella'nın takım arkadaşı oldu. Sezonu Suzuka'daki beşinciliği ile bitirdi.

Honda'nın büyük desteği ile 2003 yılının son yarışında test pilotluğu yaptığı BAR takımında Villeneuve'ün yerine Japonya'da sahne alan Sato 6. sırayı aldı.

Yeniden yarış pilotluğuna döndüğü 2004 yılında pek güven vermedi. Takım arkadaşı Button kadar şanslı olmayan Sato yarış tamamlamakta zorlandı. Şampiyonayı 8. sırada bitirdi ve kariyerinin en iyi derecesi ile ABD GP'sinde 3. sırada podyuma çıktı.

2005 ile birlikte Sato'nun üstündeki baskı arttı.BAR'ın yaşadığı sorunlardan dolayı pilot puan almayı başaramadı ve 2006 yılında F1'in yeni takımı Super Aguri F1 ile anlaştı.