Когда Такеру учился в начальной школе, его родители развелись.
В начальной школе Такеру увлекся бейсболом, но из-за вступительных экзаменов в среднюю школу вынужден был покинуть этот вид спорта. Он очень хорошо учился и частенько занимал первые места на школьных олимпиадах. Будучи школьником, Такеру не пользовался популярностью и был замкнутым ребенком.
В 16 лет Такеру пошел на свое первое прослушивание. Выбор агентства AMUSE Entertainment был не случайным, Такеру восхищался актрисой Фукацу Эри, которая является талантом агенства AMUSE.
В марте 2007 году Сато закончил North High School Koshigaya в префектуре Сайтама.
На телевидении Сато дебютировал в дораме «Принцесса Принцесса D» канала TV Asahi в 2006 году, в роли Tooru Kouno. В 2007 году Такеру появился в качестве гостя в мистической дораме «Баллада Бога смерти» в роли Исихара Кентаро.
Популярность к Такеру пришла после исполнения роли Ногами Рётаро - обычного подростка-неудачника, который получает силу Ден-О в сериале Kamen Rider Den-O в 2007 году. Это 17-й сезон сериала "Наездник в маске". Успех этого сезона заключался в его комедийности. На волне этого успеха были сняты несколько фильмов приложений к данному сезону. По словам Сато, трудность заключалась в способности убедительно сыграть несколько разных персонажей, ну и, конечно, бесконечная смена костюмов и причесок в течение одной серии, не облегчали задачу.
Также в 2007 году Такеру дебютировал как певец, выпустив сольный сингл. Всего Сато выпустил пять синглов, последний вышел в 2008 году.
Весной 2008 года снялся в роли Окады Юя в ставшей популярной янки-дораме «Новички». Роль не была особо большой или особо важной, но вполне яркой и запоминающейся. Кроме того для этой роли ему пришлось изменить причёску: заплести дреды, которые, на удивление, смотрелись не плохо и ему шли.
В 2008 году сыграл Otoya Kujo в сериале жанра триллер и элементами экшн по мотивам одноименной манги «Кровавый понедельник». Партнером Сато по дораме, исполнившим главную роль, стал Миура Харума, с которым они впоследствии стали большими друзьями. Дорама пользовалась популярностью у зрителей и, заработав большие рейтинги, обзавелась вторым сезоном, который вышел в 2010 году.
В начале 2009 года сыграл роль Шибата Кенто в школьной фэнтези дораме «Дворецкий Мей-чан», это не главная роль, но именно она принесла ему награду «Лучший актер второго плана» на «60th Television Drama Academy Awards». В этом же году появился в качестве гостя в четвертой и пятой сериях детективного сериала «Мистер Мозг», сыграл яркую главную роль в психологическом триллере «MW: Начало / Дьявольская игра» и роль второго плана в историческом блокбастере Кирияма Казуаки «Гоэмон».
В конце 2009 года Сато Такеру был утвержден на роль Танаки Юкио (Каюки), увлеченного музыкой, робкого подростка, главного героя в музыкальном фильме «Бек», который вышел в 2010 году и собрал неплохую кассу. Критики высоко оценили эту работу и удостоили Такеру премией "Новичок года" на 20st Japan Film Awards Critics Circle. В 2010 году также вышла историческая тайга «Рёма. Летопись». Это история жизни Сакамото Рёма, лидера движения против сёгуната Токугава в период Бакумацу. Роль Рёмы исполнил популярный певец и актер Фукуяма Масахару, а Сато Такеру сыграл убийцу Окада Изо. Для Такеру съемки стали сложными, потому что пришлось учится многим характерным для самураев вещам, например, владеть катаной. Следующей работой для Сато становится главная роль в школьной дораме о взрослении и первой любви «Q10». Фукай Хейта самый обычный школьник, робкий и совсем не заинтересованный в любовных делах, но все меняется с появлением загадочной девушки-робота по имени Кьюто. Еще один фильм с участием Сато Такеру вышел в 2010 году, это «Трюк 3: Королевская битва магов».
2011 год принес роль младшего брата главного героя в мелодраматическом сериале "Зимняя вишня" и главную роль в полудокументальной хронике «Последние узы: Окинава, разделенные братья», рассказывающей о судьбе двух братьев, по воле судьбы оказвшихся по разную сторону баррикад во время войны Японии с США.
Также, в 2011 году начались съемки исторического блокбастера по мотивам популярной манги и аниме «Бродяга Кэнсин». Сато Такеру был утвержден на главную роль Кенсина Химуры – великого мастера меча и бывшего убийцу, который пытается искупить грехи прошлого. Мировая премьера фильма состоялась 28 августа 2012 года. Впоследствии фильм был продан в 64-ти четырех странах. «Поскольку еще до начала съемок, режиссер Отомо Кейши и я обсуждали выпуск фильма в мире, поэтому я счастлив, что наша мечта сбылась» – Сато Такеру. В первые 8 дней после премьеры «Бродяга Кэнсин» собрал более чем 1210 миллионов иен (более $15 млн.) кассы. Режиссер Отомо прокомментировал: «Я знал, что это изначально была удачная идея, снять фильм по этому сюжету, так что я рад видеть такой результат». Сато: «Я действительно счастлив. Я хотел, чтобы многие люди посмотрели фильм, поэтому рекламировал его больше, чем какой либо другой свой проект».
Кроме того, в 2012 году Сато Такеру дебютировал как театральный актер в пьесе Уильяма Шекспира «Ромео и Джульетта», в роли Ромео, роль Джульетты досталась актрисе Ичихара Сатоми. Режиссером постановщиком выступил известный лондонский режиссер Jonathan Munby. «Это моя первая игра на сцене, поэтому я боюсь и не знаю, что делать». Но не смотря на все страхи, Такеру с ролью Ромео справился, создав чувственный, страстный образ на сцене. «Я был удивлён тому, насколько близко к зрителям находится сцена. Когда стоишь на ней и видишь, как близко к тебе находятся зрители, то возникает фантастическое чувство».
2013 год для Сато Такеру начался со съемок в семейной дораме «Коршун / Tonbi», это история про сына и отца. Такая простая и одновременно, такая сложная. Также в 2013 году вышел фильм с Такеру «Реальность». Фильм основан на получившем премию романе Инуи Рокуро «Реальность». Это история Коичи (Сато) и Ацуми (Аясе Харука), которых связывает детская дружба и любовь.
Помимо этого, в 2013 году Такеру впервые снялся в главной роли в романтическом фильме "Она тоже любит ложь", сыграв гениального композитора Аки, а экранную пару ему составила дебютантка большого экрана Охара Сакурако.
2014 год принёс главную роль детектива Сахара Нацуки в дораме "Горькая кровь", где ещё одну главную роль сыграл Ватабэ Ацуро. Также в 2014 году с участием Сато вышли два заключительных фильма о Химуре Кэнсине.
2015 год принёс Такеру главную роль в дораме "Повар императора", снятую по роману Хисахидэ Сугиморе, вышедшего в 1979 году и рассказавшего о судьбе реально существовавшего человека - Токузо Акияме, ставшего главным поваром императорского двора в возрасте 26 лет.
В этом же году Сато снялся в киноадаптации манги "Бакуман", сыграв начинающего мангаку Маширо Моритаки.
2016 год для Сато начался выходом фильма "Если кошки исчезнут во всём мире", где он играет двух персонажей: главного героя и дьявола.
18 марта 2020 года был открыт официальный YouTube-канал. Три дня спустя, 21 марта, число зарегистрированных пользователей превысило 1 миллион.
В конце марта 2021 года вместе с участниками рок-группы One Ok Rock покинул агентство Amuse, с 1 апреля перешел в новую компанию Co-LaVo, которую основал совместно с актером Камики Рюноскэ.