Fils du président d'une association de pêcheurs, Hayakawa passe son enfance dans le grand port de Chiba. Très jeune, il nourrit une admiration sans limite pour l'amiral Togo, héros de la guerre russo-japonaise ; il envisage de faire carrière dans la marine, mais il échoue au concours d'entrée de l'Ecole navale. Déçu, il tente de se faire hara-kiri. Puis, en 1911, il part pour les Etats-Unis étudier à l'université de Chicago.
Après quelques essais prometteurs au théâtre, Hayakawa débute au cinéma dans trois films du grand réalisateur de cinéma muet, Thomas Ince, qui lui confie notamment un rôle important dans Typhoon (1914). Il se rend célèbre un an plus tard grâce au film de Cecil B. de Mille, Forfaiture (dont le cinéaste français Marcel L'Herbier réalisera le remake parlant en 1937, avec le même acteur et Louis Jouvet). Dans son interprétation d'un Japonais marquant au fer rouge une femme blanche qui l'a trahi, son jeu dépouillé et minimaliste contraste avec l'outrance des grimaces et des gesticulations de mise chez les comédiens du muet. Jusqu'en 1923, il continue de tourner à Hollywood où il devient très populaire et commence à jouer en France où il est l'interprète de nombreux films, parmi lesquels La bataille (1923) d'Edouard Violet. A la fin des années 1920, Hollywood lui procure son premier rôle parlant dans La fille de Fu Manchu. Il fait un détour à Brodway puis revient au cinéma dans une coproduction franco-japonaise réalisée par Max Ophüls, Yoshiwara (1937). Après avoir passé la plus grande partie de la Seconde Guerre Mondiale dans son pays natal, Hayakawa reconquiert le coeur du public américain grâce à Tokio Joe (1949) d'Heisler, dans le quel la Columbia l'a engagé pour donner la réplique à Humphrey Bogart. Il crève l'écran et enchaîne avec Captives à Bornéo (1950) de Jean Negulesco et avec La maison de bambou (1955) de Samuel Fuller. Il obtient la consécration en 1966 au côté d'Alec Guiness dans le film du réalisateur britannique David Lean, Le pont de la rivière Kwaï, dans le rôle du commandant d'un camp de prisonniers.
Il crée une compagnie avec son épouse, la Haworth Pictures Corporation, qui produit vingt-deux films de 1918 à 1922.
Courts métrages 1914 | A Relic of Old Japan | Reginald Barker |
| 1914 | A Tragedy of the Orient | Reginald Barker |
| 1914 | Ambassador's Envoy (The) | Reginald Barker |
| 1914 | Courtship of O'San (The) | Charles Miller |
| 1914 | Curse of Castle (The) | Reginald Barker |
| 1914 | Death Mask (The) | Thomas H. Ince |
| 1914 | Geisha (The) | Reginald Barker |
| 1914 | Last of the Line (The) | Jay Hunt |
| 1914 | Mother of the Shadows | George Osborne |
| 1914 | Nipped | George Osborne |
| 1914 | O Mimi San | Charles Miller |
| 1914 | Star of the North (The) | Jay Hunt, Thomas H. Ince |
| 1914 | Typhoon (The) | Reginald Barker |
| 1914 | Vigil (The) | George Osborne |
| 1914 | Village Neath the Sea (The) | Jay Hunt, Thomas H. Ince |
| 1915 | Chinatown Mystery (The) | Reginald Barker |
| 1915 | Famine (The) | Reginald Barker |
| 1918 | How Stars Twinkle Away from the Studios | Anonyme |
Longs métrages| 1919 | A Heart in Pawn | William Worthington |
| 1914 | Wrath of the Gods (The) | Reginald Barker |
| 1915 | After Five | Oscar Apfel, Cecil B. DeMille |
| 1915 | Cheat (The) Forfaiture | Cecil B. DeMille |
| 1915 | Clue (The) | James Neill, Frank Reicher |
| 1915 | Secret Sin (The) | Frank Reicher |
| 1915 | Temptation (The) | Cecil B. DeMille |
| 1916 | Alien Souls | Frank Reicher |
| 1916 | Honorable Friend (The) | Edward J. Le Saint |
| 1916 | Soul of Koura San (The) L'Ame de Koura San | Edward J. Le Saint |
| 1916 | Victoria Cross (The) | Edward J. Le Saint |
| 1917 | Bottle Imp (The) La Bouteille enchantée | Marshall Neilan |
| 1917 | Call of the East (The) | George Melford |
| 1917 | Each to His Kind | Edward J. Le Saint |
| 1917 | Forbidden Paths | Robert T. Thornby |
| 1917 | Hashimura Togo Harakiri | William C. De Mille |
| 1917 | Jaguar's Claws (The) | Marshall Neilan |
| 1917 | Secret Game (The) | William C. De Mille |
| 1918 | Bonds of Honor | William Worthington |
| 1918 | Bravest Way (The) | George Melford |
| 1918 | City of Dim Faces (The) | George Melford |
| 1918 | Hidden Pearls | George Melford |
| 1918 | His Birthright | William Worthington |
| 1918 | Honor of His House (The) | William C. De Mille |
| 1918 | Temple of Dusk (The) | James Young |
| 1918 | White Man's Law (The) | James Young |
| 1919 | A Heart in Pawn | William Worthington |
| 1919 | Courageous Coward (The) | William Worthington |
| 1919 | Dragon Painter (The) | William Worthington |
| 1919 | Gray Horizon (The) | William Worthington |
| 1919 | His Debt | William Worthington |
| 1919 | Illustrious Prince (The) | William Worthington |
| 1919 | Man Beneath (The) | William Worthington |
| 1919 | Tong Man (The) | William Worthington |
| 1920 | An Arabian Knight | Charles Swickard |
| 1920 | Beggar Prince (The) | William Worthington |
| 1920 | Brand of Lopez (The) | Joseph De Grasse |
| 1920 | Devil's Claim (The) | Charles Swickard |
| 1920 | Li Ting Lang | Charles Swickard |
| 1921 | Black Roses | Colin Campbell |
| 1921 | First Born (The) | Colin Campbell |
| 1921 | Swamp (The) | Colin Campbell |
| 1921 | Where Lights Are Low | Colin Campbell |
| 1922 | Five Days to Live | Norman Dawn |
| 1922 | Night Life in Hollywood | Fred Caldwell |
| 1922 | Vermilion Pencil (The) | Norman Dawn |
| 1923 | Bataille (La) | Edouard-Emile Violet |
| 1924 | Danger Line (The) | Edouard-Emile Violet |
| 1924 | Great Prince Shan (The) | A.E. Coleby |
| 1924 | J'ai tué | Roger Lion |
| 1924 | Sen Yan's Devotion | A.E. Coleby |
| 1931 | Daughter of the Dragon La Fille du dragon | Lloyd Corrigan |
| 1936 | Atarashiki tsuchi | Mansaku Itami, Arnold Fanck |
| 1936 | Tochter des Samurai = Die Liebe der Mitsu (Die) La Fille du samouraï | Arnold Fanck |
| 1937 | Forfaiture | Marcel L'Herbier |
| 1937 | Yoshiwara | Max Ophuls |
| 1938 | Tempête sur l'Asie | Richard Oswald |
| 1939 | Macao, l'enfer du jeu = L'enfer du jeu | Jean Delannoy |
| 1939 | Patrouille blanche | Christian Chamborant |
| 1942 | Malaria | Jean Gourguet |
| 1943 | Soleil de minuit (Le) | Bernard-Roland |
| 1946 | Cabaret du grand large (Le) | René Jayet |
| 1946 | Quartier chinois | René Sti |
| 1949 | Tokyo Joe | Stuart Heisler |
| 1950 | Re mizeraburu : Kami to akuma | Daisuke Ito, Masahiro Makino |
| 1950 | Three Came Home Captives à Bornéo | Jean Negulesco |
| 1953 | Higegi no shogun Yamashita Yasubumi | Kiyoshi Saeki |
| 1955 | House of Bamboo Maison de bambou | Samuel Fuller |
| 1956 | Bridge on the River Kwai (The) Le Pont de la rivière Kwaï | David Lean |
| 1958 | Geisha Boy (The) Le Kid en kimono | Frank Tashlin |
| 1958 | Green Mansions Vertes demeures | Mel Ferrer |
| 1959 | Swiss Family Robinson (The) Les Robinsons des mers du sud | Ken Annakin |
| 1960 | Big Wave (The) | Tad Danielewski |
| 1960 | Hell to Eternity Saipan | Phil Karlson |