Erste internationale Erfahrungen sammelte Kentarō Satō bei den IAAF World Relays 2015 auf den Bahamas, bei denen er mit der japanischen 4-mal-400-Meter-Staffel in der Vorrunde ausschied. Anschließend gewann er bei den Asienmeisterschaften in Wuhan in 46,09 s die Bronzemedaille hinter dem Katari Abdalelah Haroun und Youssef Masrahi aus Saudi-Arabien. Bei der Sommer-Universiade in Gwangju gewann er mit der Staffel in 3:07,75 min die Silbermedaille und schied im Einzelbewerb mit 46,36 s im Halbfinale aus. 2017 nahm er mit der Staffel an den Weltmeisterschaften in London teil, qualifizierte sich mit 3:07,29 min aber nicht für das Finale. 2019 siegte er mit der Staffel bei den Asienmeisterschaften in Doha in 3:02,94 min und gewann mit der gemischten Staffel hinter Bahrain und Indien in 3:20,29 min die Bronzemedaille. Kurz darauf gelangte er bei den World Relays in Yokohama in 3:03,24 min auf den vierten Platz und bei den Weltmeisterschaften in Doha schied er mit der Staffel mit 3:02,05 min im Vorlauf aus. Bei den World Athletics Relays 2021 im polnischen Chorzów wurde er in 3:04,45 min Zweiter in der 4-mal-400-Meter-Staffel hinter dem Team aus den Niederlanden.