Ken Watanabe sort de l'école en 1978, et s'installe à Tokyo pour y démarrer une carrière d'acteur. Il y intègre une troupe théâtrale. Très vite, il se fait remarquer par son talent (ainsi que sa haute taille, 1m85).
En 1982, il fait ses débuts à la télévision japonaise, et en 1985 au cinéma, dans le film japonais MacArthur's Children.
Ken Watanabe deviendra célèbre au japon pour ses rôles de samouraïs, en particulier dans la série T.V. One eyed dragon.
En 1989, les médecins lui diagnostiquent une leucémie myéloïde aigüe. Malgré sa maladie, Ken Watanabe continue de jouer, et en 1991 sa maladie est en rémission.
En 20003, il est engagé pour tourner dans son premier film américain, le dernier samouraï, d'Edward Zwick, film dans lequel il donne la réplique à Tom Cruise. Ce film lui vaudra une reconnaissance internationale, aussi bien du public que des critiques, avec à la clé une nomination aux Oscars. Sa carrière américaine est lancée. On le retrouve en 2005 dans Batman Begins de Christopher Nolan, puis, la même année, dans Mémoires d'une Geisha de Rob Marshall. En 2006, on le retrouve sous la direction de Clint Eastwood dans Lettres d'Iwo Jima. En 2010, de nouveau pour Christopher Nolan, il est à l'affiche d'un nouveau blockbuster, Inception.