A l'université de Rikkyo, Shinji Aoyama suit les cours du célèbre critique japonais Shigehiko Hasumi et réalise de nombreux courts métrages en 8 mm. Il travaille ensuite comme assistant de Kiyoshi Kurosawa (The Guard from the underground) et comme critique aux Cahiers du cinéma-Japon avant de réaliser en 1995 son premier long, It's not in the textbook, sorti directement en vidéo. Mais ses vrais débuts sur grand écran ont lieu l'année suivante avec Helpless. Ses premiers films sont assez violents, contrairement à son road-movie Eureka, qui le révèle au grand public pendant le Festival de Cannes 2000 (Prix de la Critique internationale et du Jury œcuménique).

Auteur complet, il lui arrive régulièrement de se charger à la fois de la mise en scène, du scénario et de la musique de ses films. Un an après son premier succès, le cinéaste revient ainsi sur la Croisette avec le drame Desert moon, présenté en compétition officielle. Il signe la même année les dialogues du poignant Demonlover d'Olivier Assayas, nominé quatre fois à la 55ème édition du Festival de Cannes. En 2002, il tourne pour la télévision japonaise La Forêt sans nom, premier épisode d'une série consacrée à un détective privé, relancée en 2003 dans les salles françaises dans une version retravaillée pour le cinéma.

Shinji Aoyama revient à Cannes en 2005 avec son film sur le "Syndrome du lemming" : Eli, eli, lema sabachthani ?, présenté en sélection officielle dans la section Un Certain Regard. Suivant un rythme assez régulier en réalisant en moyenne un film par an, Shinji Aoyama participe en 2011 au film collectif 60 Seconds of Solitude in Year Zero et collabore ainsi avec des réalisateurs comme Park Chan-wook ou Michael Winterbottom. Il adopte ensuite les nouvelles technologies du numérique dans son film Tokyo Park, une adaptation de "Tokyo Koen", le best-seller de Yukiya Shôji au Japon.