Dernier né d'une famille de sept enfants, Isao Takahata étudie à l'Université de Tokyo où il obtient un diplôme en littérature française. Il entre directement dans la société Tôei Dôga où il apprend la mise en scène avec des séries télévisées, dont un épisode de Ken, l'enfant loup en 1964. Il a la chance d'entrer dans cette maison de production au moment où l'industrie commence à créer les premiers longs métrages d'animation.

Il réalise son premier film pour le cinéma en 1968, Horus, prince du soleil. Ce film est la première réalisation "indépendante" de l'histoire de l'animation japonaise. Takahata en assure la mise en scène, car il ne dessine pas lui-même, au contraire de Hayao Miyazaki. Il se contente d'esquisser le story-board. Suivent Kié la petite peste en 1981 et Goshu le violoncelliste en 1982. Ces deux films évoquent un sujet cher à Takahata et qui est récurrent dans toute son oeuvre : l'abandon, l'enfance orpheline.

Le Tombeau des lucioles, en 1988, lui apporte la reconnaissance internationale, et marque une véritable avancée dans la qualité des longs métrages d'animation. En 1991, il réalise un film intimiste et naturaliste Les Souvenirs ne s'oublient jamais, puis vient Pompoko (1994). En 1999 Mes voisins les Yamada connaît un beau succès à travers le monde. En 2003, il est le metteur en scène des Aventures de Petit Panda, sorti en Europe en juillet 2004.