Estudià a la universitat d’arts de Musashino, i s’inicià com a dibuixant de manga. Admirador i deixeble de Katsuhiro Otomo, creador de la sèrie i posteriorment del film de culte Akira, compartia amb aquest autor la inclinació per la superposició de les dimensions onírica i real i la percepció distorsionada, a partir de les quals construïa històries sovint angoixants i de gran tensió narrativa. Debutà en el cinema amb la producció Perfect Blue (1998), a la qual seguí Millennium actress (2001, amb el qual guanyà el premi Orient Express al Festival de Cinema de Sitges), Tokyo Godfathers (2003, novament premiat a Sitges com a millor film d’animació), la sèrie televisiva Paprika (2004) i The Dreaming Machine (2010), inacabada en morir el seu autor d’un càncer de pàncrees.