Estudià als Estats Units, al Southern California Institute of Architecture i, des del 1980 a la Cooper Union de Nova York. Treballà al despatx d’Arata Isozaki (1982-83) i s’establí pel seu compte el 1985 a Tòquio. La voluntat d’incorporar materials no convencionals en el camp de la construcció centrà unes investigacions que el dugueren el 1989 a utilitzar una estructura de tubs de paper (PTS) a l’Exposició de Disseny de Nagoya, i que aplicà per als refugiats del conflicte de Ruanda (1994) quan l’Alt Comissionat de les Nacions Unides per als Refugiats (ACNUR) l’incorporà com a consultor. Construí també habitatges per a les víctimes del terratrèmol de Kobe el 1995, i posteriorment en construí a Turquia. Aquestes funcionalitats el portaren a fundar el mateix any l’organització no governamental Voluntary Architects’ Network (VAN; "Xarxa d’Arquitectes Voluntaris"), dedicat a la construcció d’habitatges d’emergència en situacions de catàstrofes naturals o humanes. Símbol d'aquest propòsit és la Catedral de Cartró a Christchurch (Nova Zelanda) després del terratrèmol del 2011.
Explorà les possibilitats formals del seu sistema en dissenys d’espais d’exposició, com la d’Alvar Aalto a Tòquio (1986), i en obres com la casa de paper al llac Yamanaka (1995) o a l’església de Nagata a Kobe (1995), entre d’altres. Dissenyà el pavelló japonès de l’Expo 2000 de Hannover, també amb paper, material del qual prescindí a la casa de murs cortina a Tòquio (1995) i a la casa sense parets (1997) a Karuizawa. L’any 2004, amb el seu soci Jean de Gastines i Philip Gumuchdjian guanyà el concurs Pompidou Centre-Metz i construí en aquest centre una oficina temporal de tubs de paper. Obres posteriors són una casa de bambú laminat a Pequín (2002) i el Museu d’Art d’Aspen (2014) a Colorado (EUA), a més de disseny de pavellons i mobles amb fibra de carboni. Professor a les universitats de Keio (2001-08) i de Kyoto (des del 2011), l’any 2014 fou guardonat amb el premi Pritzker. El 2022 fou guardonat amb el premi Princesa de Asturias a la concòrdia.