Katōn isä oli Hiroshiman klaaniin kuulunut samurai. Katō aloitti opintonsa keisarillisessa laivastoakatemiassa vuonna 1873. Hän sai vuonna 1886 luutnantin arvon ja meni vuonna 1888 opiskelemaan Isoon-Britanniaan. Ensimmäisen Kiinan–Japanin sodan aikana hän palveli esikuntatehtävissä ja risteilijä "Yoshinon" päällystössä. Katō yleni komentajakapteeniksi 1895, komentajaksi 1897 ja kommodoriksi 1899. Hän oli 1896–1898 opettajana laivastokoulussa ja sen jälkeen risteilijä "Tsukushin" päällikkönä. Joulukuussa 1903 hänestä tuli Japanin 2. laivaston esikuntapäällikkö, missä tehtävässä hän oli Venäjän–Japanin sodan puhjetessa seuraavana vuonna. Hänet ylennettiin syyskuussa 1904 kontra-amiraaliksi ja nimitettiin tammikuussa 1905 koko yhdistetyn laivaston esikuntapäälliköksi. Katō oli laivaston komentajan Tōgō Heihachirōn tärkeä yhteistyökumppani ja osallistui Tsushiman meritaisteluun Tōgōn lippulaivalla "Mikasalla".