勘は非常に鋭く、自ら推理をして事件の真相に迫ることもある。江戸川コナンが毛利小五郎を眠らせて「眠りの小五郎」を演じた際には本当に寝ているのではないかと疑った佐藤が彼の口をつねっていたため、コナンは佐藤の前では「眠りの小五郎」を控えるように心がけている。また、担当した事件の裏に黒ずくめの組織が関わっていたときも、コナンや小五郎の動向とは関係なく裏で暗躍する存在には薄々感づいていた。コナンの正体には気付いていないものの推理力は高く買っており、彼が事件の捜査に関与することにも比較的寛容である。「高校生探偵」と騒がれる工藤新一と服部平次に関してはその能力に疑いを持っていたが、犯人を特定するまでの捜査の迅速ぶりを見た際には驚愕していた。正義感と使命感が強い一方、激情に駆られやすい面もあり、同僚の仇である犯人を復讐心から射殺しかけたことがある。基本的には高木渉とセットで登場するが、稀に高木抜きで登場することもある。共演キャラクターに関しては蘭や園子との絡みは少なく、また服部平次なども共演する機会も非常に少ないため、少年探偵団の方が多い。連続ドラマでは目暮が登場しないため、彼の役割を兼ねている。射撃・格闘技術.格闘技も得意で、初登場時に関節技を決め、それ以降も犯人を逮捕する際にはキレのある技を披露している。劇場版では人質に取られた状態からジャーマン・スープレックスも決めている。派手な容姿に変装しての囮捜査中には、それに気付かずナンパしてきた柔道の達人でもある小五郎を一撃で倒している。また、歩道橋から走行中のバスの屋根へ飛び降りた犯人を追いかけた際には自分も後続車の屋根へ飛び降りたうえ、さらに地上へ飛び降りた犯人を追って自分も飛び降りるなど、先述の射撃も含めて洋画ばりのアクションシーンまで描かれている。運転技術.対人関係.親友の宮本由美に誘われて数合わせの合コンに参加することもあることから、その影響で警視庁以外の男性陣からも慕われているが、左手の薬指の意味やホワイトデーを知らず、由美に言われて初めて存在そのものを知るに至るなど、男女交際に関する一般的知識に疎い傾向がある。本人曰く、高木と接近する以前にも松田刑事を含めて複数の片思い経験があったらしく、恋愛経験そのものが皆無だったわけではない。目暮十三警部には亡き父と姿を重ねており、父のように慕っている。