2013年11月15日、加藤政義との交換トレードで北海道日本ハムファイターズへ移籍することが発表された。2014年10月3日付けで来季契約を結ばないことが通達された。11月9日に開催された第1回12球団合同トライアウトに参加。このトライアウトでは、中田亮二（中日）、尾崎匡哉（日本ハム）、角晃多（ロッテ）、高橋信二（オリックス）の4人に対して被安打1、1四球だった。翌11月11日、広島東洋カープへの入団が発表された。
2008年4月8日に小林太志とともに一軍登録され、翌9日にプロ初登板。高校時代を大幅に上回る145km/hを計測した。小林もこの日が初登板であった。5月8日のヤクルト戦でプロ初先発を務めたが、セ・リーグ記録タイとなる1試合与死球4の内容で、プロ初先発初勝利とはならなかった。6月に先発で2試合連続でKOされたのを受け二軍落ちし、そのままシーズンを終えた。2009年は二軍で8試合の登板。一軍出場はなかった。2010年は2年ぶりに一軍出場を果たし、中継ぎで8試合に登板。また、シーズンオフには台湾で開催された第17回IBAFインターコンチネンタルカップの日本代表に選ばれた。2011年も中継ぎとして10試合に登板、プロ初ホールドも記録した。4月27日の対中日ドラゴンズ5回戦で落合英二以来2人目の0球降板（コール後に雨天コールド）を記録した。2012年に女優の吉村紗耶香との入籍を発表。契約更改を行い、昨年度の3%減の730万でサインした。
小学3年生の時に少年野球の所野ブラックパンサーズで野球を始める。最初は外野手だったが、監督に出した年賀状にピッチャーをやりたいと書いて、以来ポジションは投手一筋。日光東中では軟式野球部に所属し、4番打者兼投手として栃木県大会に出場。進学した文星芸大附高校では1年生の夏季県大会からベンチ入り。2年次の夏季県大会では背番号10の2番手投手として出場。4回戦では宇都宮清陵を相手に5回参考記録ながら完全試合を達成。チームを甲子園出場に導いた。第88回全国高等学校野球選手権大会では初戦でダース・ローマシュ匡、上田剛史を擁する関西に逆転勝ち。しかし続く今治西との2回戦では3-12という大敗を喫する。新チームでは結成当初からエースナンバーを堅守。2年連続での夏の甲子園となった第89回全国高等学校野球選手権大会では、調子が良い時には投球と同時に野球帽が頭部から落下することが話題になった。3回戦まで進出するも、2年連続で熊代聖人擁する今治西の前に敗れた。奇しくも当日は佐藤の誕生日であり、勝利で花を添えることはできなかった。しかし、打者の内角を鋭く突く切れのある速球と多彩な変化球、マウンド度胸の良さが一気に関係者の注目を集め、同年の全日本高校選抜の代表メンバーに選出される。2007年10月3日のドラフト会議（高校生ドラフト）で横浜ベイスターズから4巡目指名を受け、10月26日に契約金3500万円・年俸480万円の条件で正式に入団契約を交わした。
2013年に国立天文台の福井暁彦らの研究グループは、岡山天体物理観測所の2台の望遠鏡で GJ 3470 b の恒星面通過を詳細に観測した。その結果、近赤外線領域である1.3μmの波長による観測では、他の波長による観測と比べ、GJ 3470 b の直径が約6%小さくなる事が判明した。この差は、GJ 3470 b が透明な大気を持つことによる影響と考えられている。GJ 3470 b が通過している際の GJ 3470 からの光は、GJ 3470 b の大気を通過したものが含まれていると考えられる。大気中に含まれる分子によって、GJ 3470 b の大気を通過する GJ 3470 の光は散乱や吸収によって減光するが、その度合いは波長によって変わってくる。ただし、大気中に厚い雲が含まれていると散乱の度合いがどの波長においても同程度になる。1.3μmという特定の波長のみが他の波長と比べて半径に差が生ずるということは、少なくとも GJ 3470 b の大気は透明であり、雲が含まれていないことが分かる。このことから、GJ 3470 b は「晴れの惑星」などと呼ばれる。また、大気が透明ならば、大気成分の詳細な観測が可能な事を意味しており、大気の性質から GJ 3470 b のような恒星に極めて近い距離を公転する惑星の形成の理解につながると期待されている。例えば、大気中に水が含まれていれば、GJ 3470 b は現在より遠い距離で形成された氷天体であり、その後軌道が内側に移動したと推定できる。水が見つからなければその逆であり、元から近い距離で形成された可能性がある。GJ 3470 b の大気の観測が可能なのは、恒星 GJ 3470 がスペクトル分類M1.5型であり、直径と質量が共に太陽の約0.5倍と小さく、惑星に対しても小さいため、相対的な減光度が高いためである。また、近赤外線領域は可視光領域と比較して明るいため、岡山天体物理観測所の望遠鏡に設置された近赤外撮像・分光装置での詳細観測が可能であった事も要因である。大気の詳細観測が可能な太陽系外惑星は少なく、GJ 3470 b は GJ 1214 b に次いで2番目に小さな太陽系外惑星である。GJ 3470 を通過中の GJ 3470 b を近くから観測すると、大気が GJ 3470 の光をレイリー散乱によって散乱することから、赤いリングを形成すると考えられている。