Ihr Debüt im Skisprung-Continental-Cup gab Takanashi am 3. März 2009 zum Saisonfinale der Saison 2008/09 in Zaō. Dabei gelang es ihr in beiden Springen, die Punkteränge zu erreichen. Ihre erste Saison beendete sie daher auf dem 54. Platz der Gesamtwertung. In der Folgesaison konnte sie ihre Leistungen beständig steigern und erreichte regelmäßig Platzierungen unter den besten Zehn. Bei der Junioren-Weltmeisterschaft 2010 in Hinterzarten erreichte sie von der Normalschanze den siebten Platz. Am 2. März 2010 gelang ihr mit dem dritten Platz in Zaō erstmals der Sprung auf das Podest. Die Saison 2009/10 beendete sie auf dem 15. Platz in der Continental-Cup-Gesamtwertung.
Am 3. Dezember 2011 gab sie ihr Debüt im neugeschaffenen Damen-Weltcup in Lillehammer und wurde fünfte. Ihren ersten Weltcupsieg feierte sie am 3. März 2012 in Yamagata und ist mit 15 Jahren und 147 Tagen die jüngste Person mit einem ersten Platz in dieser Wettkampfserie. Bei den Olympischen Jugend-Winterspielen 2012 in Innsbruck gewann sie Gold im Einzelspringen. Die Premiere des Mixed-Team-Wettbewerbes im Rahmen des Sommer-Grand-Prix am 14. August 2012 in Courchevel gewann Takanashi mit dem japanischen Team.[1]
Am 24. Januar 2013 gewann Sara Takanashi bei den Junioren-Weltmeisterschaften in Liberec die Goldmedaille.[2] Sie verteidigte damit ihren Titel, nachdem sie bereits 2012 in Erzurum erfolgreich war.
Bei den Nordischen Skiweltmeisterschaften 2013 im Val di Fiemme gewann sie mit der japanischen Mannschaft die Goldmedaille im Mixed-Team-Wettbewerb.[3] Zwei Tage zuvor hatte sie im Einzelwettbewerb hinter der US-Amerikanerin Sarah Hendrickson den zweiten Platz belegt.[4] Erfolgreich war sie mit der japanischen Mannschaft auch beim Debüt des Mixed-Team-Wettbewerbs im Weltcup am 6. Dezember 2013.
Mit insgesamt acht Weltcupsiegen gewann sie die Weltcup-Gesamtwertung der Saison 2012/13. Beim Sommer-Grand-Prix 2013 siegte Takanashi in vier von sechs Wettbewerben und damit erneut auch die Grand-Prix Wertung. Auch 2014, 2015 und 2016 konnte sie die Grand-Prix-Gesamtwertung für sich entscheiden.
Am 28. Januar 2014 gewann sie zum dritten Mal in Folge den Junioren-Weltmeistertitel im Einzel bei der Junioren-WM im Val di Fiemme,[5] und ersprang bereits 2 Tage später zusammen mit ihren Teamkolleginnen auch den Mannschaftstitel.[6] Mit 5 Titeln in Einzel- und Mannschaftswettbewerben ist sie neben Heinz Kuttin die erfolgreichste Athletin bei Junioren-Weltmeisterschaften im Skispringen. Takanashi hat außerdem als einzige Person drei Einzelgoldmedaillen bei diesem Turnier gewonnen.
In der Folgesaison 2015/16 gewann Takanashi zum dritten Mal in vier Jahren den Gesamtweltcup. Dabei erzielte sie in 17 Wettbewerben 14 Siege und stand nur einmal nicht auf dem Podest. Ihre Siegquote von 82,35 % stellt einen geschlechterübergreifenden Rekord dar. In der Saison 2016/17 ließ Takanashis Dominanz zwar wieder ein wenig nach,[7] dennoch wurde sie nach 17 von 19 geplanten Wettbewerben vorzeitig Gesamtweltcupsiegerin.[8] Bei den Nordischen Skiweltmeisterschaften 2017 in Lahti konnte sie im Einzelwettbewerb erneut nicht die Goldmedaille gewinnen, sondern musste sich hinter Carina Vogt und Yūki Itō mit Bronze zufriedengeben.[9] Im Mixed-Team-Wettbewerb bildete sie gemeinsam mit Yūki Itō, Taku Takeuchi und Daiki Itō die japanische Mannschaft. Das Quartett gewann hinter den Mannschaften aus Deutschland und Österreich die Bronzemedaille.
In der Saison 2017/18 war die Dominanz von Sara Takanashi vollständig gebrochen. Ihre ersten beiden Saison-Siege konnte sie im Team-Wettbewerb erringen. Am 16. Dezember 2017 fand in Hinterzarten der erste Teamwettbewerb statt. Gemeinsam mit Yūki Itō, Kaori Iwabuchi und Yūka Setō konnte sie diesen Wettbewerb gewinnen.[10] Am 20. Januar konnte sie auch im heimischen Yamagata mit der japanischen Mannschaft den zweiten Teamwettbewerb gewinnen. Bei den Olympischen Winterspielen 2018 in Pyeongchang belegte sie hinter Maren Lundby aus Norwegen und der DeutschenKatharina Althaus den dritten Platz und konnte damit ihre erste olympische Medaille gewinnen.[11] Beim Weltcup-Finale in Oberstdorf am 24. und 25. März 2018 erzielte sie ihre einzigen beiden Einzel-Weltcupsiege der Saison und den 54. und 55. ihrer Karriere. Mit dem 54. Sieg am ersten Tag übertraf sie den Österreicher Gregor Schlierenzauer (53 Weltcupsiege) und wurde damit zur erfolgreichsten Skispringerin, gemessen an Einzel-Weltcupsiegen. Sie beendete die Saison erstmals seit 2012 als wieder Dritte des Gesamtweltcups nach vier Siegen (2013, 2014, 2016, 2017) und einem zweiten Platz (2015).
In der Saison 2018/19 gelang ihr am 10. Februar der 56. Einzelweltcupsieg auf der Normalschanze in Ljubno. Sie beendete damit eine Serie von sechs Siegen der NorwegerinMaren Lundby. Bei den Skiweltmeisterschaften 2019 in Seefeld in Tirol wurde sie im Einzelwettbewerb und mit der japanischen Frauenmannschaft jeweils Sechste und belegte im abschließenden Mixed-Teamwettbewerb den fünften Rang.
Bei den Skiweltmeisterschaften 2021 in Oberstdorf wurde sie in den Einzelwettbewerben Zweite von der Groß- und Dritte von der Normalschanze. Mit der japanischen Frauenmannschaft wurde sie Vierte und belegte im Mixed-Teamwettbewerb den fünften Rang. Bei den Olympischen Winterspielen in Peking wurde sie mit dem japanischen Mixed-Team und im Einzelwettbewerb jeweils Vierte.