学生時代の自転車競技から一転、20歳でレーシングスクールに入り、モータスポーツの世界へ。
2002年にF1デビューし、2004年アメリカグランプリにて表彰台に上がる。
2010年からはインディカー・シリーズにチャレンジし、2013年ロングビーチグランプリにて日本人初優勝を成し遂げ、世界最高峰のレースと言われるF1とインディカー両方で表彰台に上がった唯一の日本人ドライバーとなる。
更に2017年は世界三大レースの1つと言われるインディ500で優勝を果たし、内閣総理大臣顕彰をはじめ多くの賞を受賞。
2019年はインディカー・シリーズに挑戦して初めてシーズン2勝目を飾ると共に、市街地コース、ロードコース、ショートオーバル、スーパースピードウェイという、インディカーで開催される4つの異なるタイプのコース全てで勝利を挙げたエリートドライバーの仲間入り（現役ではわずか5人）を果たした。
2020年は無観客レースとして開催されたインディ500にて2度目の制覇を成し遂げ、インディ500を複数勝利したキャリアを持つ世界で20人目のドライバーとなる。

また、オフシーズンでは自身で立ち上げた「With you Japan」プロジェクトとして2011年から毎年、復興地支援活動を行い、2014年からは復興地支援と合わせて子供たちにカートの楽しさを伝えるキッズカートイベント「TAKUMA KIDS KART CHALLENGE」を開催し、モータースポーツの普及活動も行う。
2017年からは世界で活躍するアスリートにも協力頂き、子供達にチャレンジする大切さを伝える「With you Japan Festa」を主宰している。