Né à Ise (Japon), le 29 octobre 1935, Isao Takahata étudie la littérature française à l'université de Tōkyō. Il découvre ainsi les poèmes de Jacques Prévert, mais aussi son travail avec Paul Grimault, par exemple sur le scénario de La Bergère et le Ramoneur.

Dès 1959, il rejoint le studio d'animation Tōei Animation. En 1968, il réalise son premier long métrage, Horus, prince du soleil (sorti en France en 2004), en collaboration avec Hayao Miyazaki. Ce film n'ayant pas obtenu le succès attendu, les producteurs privilégient alors la création télévisuelle plutôt que cinématographique. À partir de ce projet, Miyazaki et Takahata travaillent souvent ensemble, sur des films comme sur des séries télévisées (notamment la première série de Lupin III, plus connue en France sous le nom d'Edgar de la Cambriole).

Pour Takahata et Miyazaki, la « trilogie » Heidi, Marco et Anne, la Maison aux pignons verts, tous trois réalisés entre 1974 et 1979, constitue un âge d'or, même si leur collaboration s'est terminée avec le dernier épisode. Leur amitié persiste néanmoins, et la collaboration prend alors une nouvelle orientation : Miyazaki dirige et Takahata réalise. Cependant, au cours de la réalisation de Anne, la Maison aux pignons verts, Miyazaki démissionne. Takahata aide alors Miyazaki à produire Conan, le fils du futur pour le décharger. Pour lui renvoyer la pareille, Miyazaki invite alors Takahata à rejoindre Studio Ghibli.

En 1981, Takahata dirige le long métrage Kié, la petite peste, qui reçoit un bon accueil et dure trois ans.
C'est en 1985 que Takahata devient l'un des deux réalisateurs de Studio Ghibli (avec Miyazaki), créé par la société Tokuma et dirigé par Toshio Suzuki. Il réalise son premier film pour ce studio, en 1988, avec Le Tombeau des lucioles. Depuis lors, trois autres longs métrages se sont succédé.

Contrairement à Miyazaki, Takahata ne dessine pas lui-même. Il se considère avant tout comme un réalisateur. Il réalise d'ailleurs un film en prise de vue réelle, L'Histoire du canal de Yanagawa, en 1987. Ce statut lui permet de n'être attaché à aucun style de dessin en particulier et de pousser au plus loin toute forme d'expérimentation dans le domaine de l'animation. Ainsi, le long métrage Mes voisins les Yamada est entièrement créé sur ordinateur afin d'obtenir un effet d'aquarelle difficile à traduire sur celluloïd.

Le style des sujets traités par Takahata est très varié. Ainsi, Le Tombeau des lucioles est un drame de guerre plutôt réaliste, Pompoko tend vers le burlesque en présentant des tanuki qui tentent d'empêcher des humains de s'installer sur leurs terres. Le plus souvent, Isao Takahata s'inspire d'une œuvre préexistante (le roman d'Akiyuki Nosaka pour Le Tombeau des lucioles et celui de Kenji Miyazawa pour Goshu le violoncelliste) ou encore de l'univers des mangas (Souvenirs goutte à goutte ou Mes voisins les Yamada). Il peut également développer une idée originale, comme pour Pompoko (la guerre des tanuki).