Graduat a la Universitat de Tòquio l’any 1965, l’any 1971 establí el seu propi estudi, i el 1976 sobresortí pels habitatges construïts a Tòquio en forma de U. La seva obra constitueix una reflexió sobre el paper de l’arquitectura en el context socioeconòmic postindustrial, dominat per la teletecnologia i la publicitat. Els projectes PAO 1 (1985) i PAO 2 (1986), les instal·lacions efímeres de la Torre dels Vents a Yokohama (1986-95) i de l’Ou dels Vents de Tsukudajima (1988-91), l’ITM de Matsuyama, al Japó (1991-93), la residència per a la tercera edat de Yatsushiro (1994), la Mediateca de Sendai (2001), el VivoCity de Singapur (2006), l’Estadi Nacional de Kaohsiung (2009), a Taiwan, i el Museu d’Arquitectura Toyo Ito (2011) d’Ehime, al Japó, són algunes de les seves obres més destacades.
A Catalunya la seva activitat ha estat notable. Fou l’encarregat del projecte d’ampliació de la Fira de Barcelona a la Gran Via de les Corts Catalanes, a l’Hospitalet de Llobregat, de 340.000 m2, i dues torres de 114 m d’alçària, obra iniciada el 2003 i inaugurada parcialment el 2007. Una de les dues torres, la Torre Realia, ha esdevingut una icona característica de l’accés sud a Barcelona.i el 2009 s’inaugurà al passeig de Gràcia un edifici d’apartaments de luxe, de façana ondulada (Suites Avenue Apartments), projectat per ell. Ha estat guardonat amb la Medalla Reial d’Or d’Arquitectura de la Gran Bretanya (2006), el premi Imperial del Japó (2011) i el premi Pritzker (2013).