Es doctorà en farmàcia (1968) i química (1970) a la Universitat Científica de Tòquio. Després de dos anys a la Universitat de Yamanashi (1963-65), s’incorporà a l’Institut Kitasato, del qual fou president (1990-2008). Les seves recerques s’han centrat en la identificació de substàncies obtingudes a partir de bacteris amb l’objectiu principal d’elaborar medicaments. Un dels seus descobriments principals ha estat la identificació i la seqüenciació del bacteri Streptomyces avermitilis, treballs que posteriorrment William C. Campbell utilitzà per al desenvolupament de l’avermectina, substància essencial per a la producció de medicaments com la ivermectina, usats contra la filariosi i altres cucs paràsits. Per aquesta aportació, el 2015 rebé el premi Nobel de medicina, que compartí amb Campbell i Youyou Tu. També ha rebut, entre altres guardons, la Medalla Robert Koch (1997), el premi Ernest Guenther (2005) de l’American Chemical Society i el Canada Gairdner Global Health Award (2014), i és membre de nombroses societats acadèmiques.