Llicenciat en química per la Universitat de Tòquio (1974), hi obtingué el mestratge el 1976 i es doctorà el 1979 sota la direcció de Teruaki Mukaiyama, amb treballs de síntesi orgànica. Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Carolina del Nord a Chapel Hill (1979-81), amb Ernest L. Eliel, s’incorporà el 1981 a la Universitat de Ciències de Tòquio, on ha desenvolupat la seva carrera docent i científica.
La seva recerca s’ha centrat en la síntesi asimètrica, l’autocatàlisi asimètrica i l’origen de la quiralitat de les molècules biològiques. El 1995 descriví per primera vegada una reacció autocatalítica capaç d’amplificar petites diferències entre les dues formes especulars d’una molècula. El 2003 demostrà experimentalment que aquest procés podia conduir a la formació gairebé exclusiva d’una sola d’aquestes formes, un fenomen conegut com a homoquiralitat. Aquesta reacció, coneguda com a reacció de Soai, constituí una aportació decisiva a la comprensió de l’origen de l’asimetria molecular característica dels éssers vius. Les descobertes de Soai van ampliar i culminar la recerca sobre l’origen de l’homoquiralitat iniciada per Henri Kagan, amb qui compartí el premi Nobel de química el 2026.