Zu Beginn des Zweiten Weltkrieges wurde Satō Kenryō am 10. Februar 1940 stellvertretender Chef der Regionalarmee Südchina und bekleidete diese Funktion bis zum 5. Februar 1941. Anschließend fungierte er zwischen dem 1. März 1941 und dem 20. April 1942 Leiter des Referats Militärische Dienste in der Abteilung Militärische Dienste des Heeresministeriums und erhielt in dieser Position am 15. Oktober 1941 seine Beförderung zum Generalmajor. Danach war er vom 20. April 1942 bis zum 14. Dezember 1944 Leiter der Abteilung Militärische Dienste des Heeresministeriums sowie anschließend zwischen dem 14. Dezember 1944 und dem 7. April 1945 stellvertretender Chef des Stabes der China-Expeditionsarmee unter dem Oberkommandierenden General Okamura Yasuji. In dieser Verwendung erfolgte am 1. März 1945 seine Beförderung zum Generalleutnant. Zuletzt löste er am 7. April 1945 Generalleutnant Nagano Yūichirō als Kommandierender General der in Thailand eingesetzten 37. Division ab und verblieb auf diesem Posten bis zur Kapitulation Japans am 2. September 1945.