Sato correu de 2002 a 2008 na Fórmula 1, sendo o segundo piloto japonês com mais pontos nesta categoria, atrás apenas de Kamui Kobayashi. Também foi o segundo piloto nipônico a subir no pódio na Fórmula 1.
Desde 2010 corre na IndyCar Series. Em 2013, ao vencer o Grande Prêmio de Long Beach (a corrida de rua de maior prestígio dos Estados Unidos), tornou-se o primeiro piloto japonês a conquistar uma vitória na categoria.[1]
Em 2017, aos 40 anos, venceu a 101ª edição da tradicional prova das 500 Milhas de Indianápolis, tornando-se o primeiro piloto asiático a vencer tal prova, e conquistando o maior feito individual de um piloto nipônico sobre quatro rodas.[2] Ele já havia flertado com a vitória nas 500 Milhas em 2012: na última volta, tentou passar Dario Franchitti por dentro na curva 1. Ele rodou, bateu, e deixou a vitória nas mãos do escocês.[2]
Sato faria sua primeira corrida oficial na Fórmula 1 na temporada seguinte, pela equipe Jordan, tendo como ponto alto o quinto lugar no Grande Prêmio do Japão — na época, apenas os seis primeiros pontuavam.[2]
Em 2003, tornou a ser piloto de testes na BAR, mas entrou no lugar de Jacques Villeneuve em Suzuka e terminou em sexto.[2]
Em 2004 e 2005, correu pela BAR. Em 2004, foi ao pódio pela primeira e única vez na Fórmula 1, quando chegou em terceiro lugar no Grande Prêmio dos Estados Unidos de 2004, disputado no circuito misto de Indianápolis.[2] Este foi o segundo pódio da história conquistado por um piloto japonês na Fórmula 1.
Em 2005, não conseguiu resultados muito convincentes para a equipe por seu carro acabar batendo em grandes prêmios e pelo seu carro no ano de 2005 ter se tornado muito inferior aos demais do grid, mesmo assim foi muito inferior ao seu companheiro de equipe. O que o fez perder o lugar para o brasileiro Rubens Barrichello na nova equipe Honda, em 2006.
Disputou de forma integral a temporada 2010 da IndyCar Series na equipe KV Racing com o carro número 5, com o patrocínio da Lotus Cars. Sato não fez uma boa temporada, tendo conquistado a 21.ª posição no campeonato geral com 214 pontos, muitas batidas e poucas provas concluídas.
Em 2013, Sato conquistou a primeira vitória de um japonês na IndyCar no Grande Prêmio de Long Beach pela tradicional equipe AJ Foyt chegando até liderar o campeonato.[1]