Перейдя в команду «Carlin Motorsport» и в класс А в чемпионате 2000 года, Сато одерживает победы в пяти гонках, и по итогам всего чемпионата занимает третье место. В том же году он впервые пробует себя в машине «Формулы-1». Такума Сато проводит тесты за рулем «BAR» и «Jordan Grand Prix», и в итоге в 2001 году подписывает соглашение с «BAR», в соответствии с которым становится их тест-пилотом. Вскоре Такумо окончательно переходит в «Формулу-1» и в 2002 году становится товарищем по команде с Джанкарло Физикеллой, имея к концу года очень неплохие позиции. Сезон 2004 года, в котором Сато стартовал очень удачно, был в конц е концов испорчен - восьмая позиция по итогам чемпионата хоть и стала неплохим результатом, но Такума Сато помнит и свой лучший результат третьей позиции на Гран При США в Индианаполисе.
Сезон 2005 года стал настоящей катастрофой для Сато. Шасси 007, на котором был установлен двигатель «Honda», представляло собой не самую конкурентоспособную комбинацию. В то время как его соперник Баттон заработал 37 очков, для Сато сезон не удался совсем, и когда чемпионат закончился, на его счету числилось лишь одно-единственное очко.
По-прежнему находясь во многом под опекой «Honda», Сато перешел в новую команду - «Super Aguri Honda» - в 2006 году. Столкнувшись с практическим отсутствием конкуренции, Сато быстро превратился в лидера ко манды. Триумфальным для Сато стало окончание сезона 2006 года в Бразилии - тогда он финишировал на десятой позиции, это стало для японца лучшей гонкой в сезоне.
В сезоне 2008 года Такума провел всего 4 гонки и после банкротсва «Super Aguri» был вынужден покинуть чемпионат, однако в сентябре уже провел тесты за рулем «Toro Rosso». Межсезонье 2008-2009 года прошло в конкуренции за место в этой команде. Однако, японцу не повезло - команда предпочла продлить отношения с его конкурентом Себастьеном Бурдэ, а Сато осталось искать иные варианты продолжения карьеры, уже за пределами «Формулы-1».
Такума Сато провел в «Формуле-1» семь неполных сезонов, принял участие в 92 Гран-при, однажды финишировал на подиуме и набрал 44 очка.