Swoją karierę w kartingu rozpoczął w Japonii. W 1998 roku przeprowadził się do Anglii w celu rozpoczęcia kariery w europejskich seriach wyścigowych. W latach 1998 i 1999 startował w Formule Junior, a pod koniec 1999 r. przeniósł się do Brytyjskiej Formuły 3. Sezon 2000 ukończył na trzecim miejscu, a w sezonie 2001 zdobył tytuł mistrzowski. W ciągu dwóch lat wygrał w 16 wyścigach serii i w międzynarodowych wyścigach w Spa-Francorchamps, Zandvoort, Makau.
Formuła 1
W sezonie 2002 zadebiutował w Formule 1 w stajni Jordan. Pomocy w rozpoczęciu kariery udzieliła mu Honda.
W sezonie 2003 został kierowcą testowym stajni B.A.R., a w ostatnim wyścigu sezonu zastąpił Jacques'a Villeneuve'a. Rok później był już jednym z głównych kierowców stajni. Podczas Grand Prix Stanów Zjednoczonych po raz pierwszy stanął na podium. Stał się tym samym drugim w historii Formuły 1 Japończykiem (po Agurim Suzuki w 1990 roku), który tego dokonał. Cały sezon zakończył na ósmej pozycji z dorobkiem 34 punktów, pomagając zespołowi w zajęciu piątego miejsca w klasyfikacji konstruktorów.
Współpracę z zespołem kontynuował także w sezonie 2005, który był dla niego kompromitujący. Zdobył tylko jeden punkt, podczas gdy Jenson Button zgromadził ich 37. W dodatku kilkukrotnie zachował się jak debiutujący kierowca, eliminując takich kierowców jak Michael Schumacher czy Jarno Trulli. Zespół Honda (Honda przekształciła B.A.R. w zespół fabryczny po zakończeniu sezonu) postanowił zakończyć współpracę z Japończykiem, a na jego miejsce zatrudnił Rubensa Barrichello.
Mimo początkowych wątpliwości odnośnie do pozostania Satō w Formule 1, Japończyk dzięki powstaniu nowego, w pełni japońskiego zespołu znalazł dla siebie miejsce w sezonie 2006. Ten nowy zespół to Super Aguri F1, który posiada silne wsparcie Hondy. Nowym partnerem Takumy został Yūji Ide. W pierwszym sezonie startów dla Super Aguri F1 Japończyk nie zdobył żadnych punktów, ale w sezonie 2007 uzyskał, pierwsze, historyczne punkty dla japońskiej stajni. Ostatecznie sezon 2007 zakończył z dorobkiem czterech punktów. W sezonie 2008 Takuma Satō kontynuował pracę dla Super Aguri, jego partnerem w zespole był Anglik Anthony Davidson.
W dniu 6 maja 2008 Aguri Suzuki podjął decyzję o wycofaniu się ze startów w Formule 1 ze skutkiem natychmiastowym[1].
Przed rozpoczęciem sezonu 2009 Satō brał udział w zimowych testach dla zespołu Toro Rosso. Mimo dobrych wyników nie został zatrudniony, kierowcami STR zostali Sébastien Buemi oraz Sébastien Bourdais.
IndyCar Series
18 lutego 2010 roku kierowca dołączył do serii IndyCar do zespołu KV Racing w sezonie 2010[2].
28 maja 2017 roku jako pierwszy japoński kierowca, wygrał Indianapolis 500.
