Sorti de l'école d'art dramatique de Haiyu-Za, Tatsuya Nakadai fait de la figuration dans plusieurs films dont Les sept samouraïs (1954), d'Akira Kurosawa.
Acteur majeur du cinéma japonais, Tatsuya Nakadai travaille avec les plus grands cinéastes japonais, tels Masaki Kobayashi et Akira Kurosawa. C'est du reste Kobayashi qui le révèle en 1957 en lui confiant le rôle d'un yakusa dans Le fleuve noir ; quelques années plus tard, il lui offre le rôle de sa vie dans La condition de l'homme (1959-1961), trilogie où il interprète l'idéaliste Kaji. Devenu une star au Japon, symbole d'une nouvelle génération d'acteurs influencée par un jeu à l'américaine, le comédien multiplie les performances sous la direction de Kurosawa (Yojimbo, 1961 ; Sanjuro, 1961). Inspecteur de police dans Entre le ciel et l'enfer (Kurosawa, 1963), il se fond ensuite avec beaucoup de crédibilité dans la peau d'un bûcheron (La femme des neiges, Kobayashi, 1964) ou d'un samouraï dans Rebellion (Kobayashi, 1967), au côté d'une autre star japonaise, Toshiro Mifune. Plébiscité en 1980 pour son interprétation dans le chef-d'oeuvre Kagemusha (A. Kurosawa, Palme d'or au festival de Cannes), Tatsuya Nakadai triomphe de nouveau avec le cinéaste en 1985 dans Ran.
En 1975, Tatsuya Nakadai fonde avec sa femme une école d'art dramatique.