Urodził się w Ujiyamadzie (obecnie Ise) w 1935 roku, jako najmłodszy z siódemki rodzeństwa. Niespełna dziesięć lat później wraz z rodziną przeżył amerykańskie bombardowanie miasta Okayama - do tego doświadczenia powróci w swym najsłynniejszym filmie "Grobowiec świetlików". W 1959 roku ukończył Uniwersytet Tokijski na kierunku literatury francuskiej. Zainteresowanie animacją rozbudził w nim seans filmu "Król i ptak", aczkolwiek Isao bardziej pragnął zostać reżyserem i scenarzystą, niż samym animatorem.

Za namową przyjaciela zgłosił się do studia Toei, gdzie po egzaminie wstępnym zyskał posadę asystenta reżysera przy wielu serialach i filmach. Jego mentorem został Yasuo Ōtsuka, pod okiem którego pracował przy "Ōkami Shōnen Ken". W 1968 roku zadebiutował jako reżyser filmowy tytułem "Taiyo no oji: Horusu no daiboken", gdzie głównym animatorem był Hayao Miyazaki. Choć po latach film ten uznany został za jeden z pierwszych obrazów definiujących współczesną japońską animację, w czasie premiery okazał się finansową klapą i skutkował zawodową degradacją Takahaty.

Nie mogąc dalej rozwijać się w Toei, opuścił szeregi studia w 1971 roku, a w ślad za nim poszli także Miyazaki i Yōichi Kotabe. Takahata i Miyazaki postanowili stworzyć animację na podstawie historii o Pippi Pończoszance. Swój pomysł rozwijali pod szyldem studia A Production. Polecieli też do Szwecji na spotkanie z autorką Astrid Lindgren, jednak nie udało im się dojść do porozumienia i zyskać praw do ekranizacji. Powstałe przy tej okazji projekty i pomysły wykorzystywali w swoich późniejszych dziełach.

Panowie kontynuowali współpracę, przejmując pieczę nad produkcją serialu "Rupan sansei". Stworzyli także krótkometrażowy "Panda Kopanda". Wkrótce Takahata, Miyazaki i Kotabe otrzymali od studia Zuiyo Enterprise propozycję stworzenia serialu "Heidi". Następnie wytwórnia zmieniła się w Nippon Animation, z którą Takahata pozostał na kolejne 10 lat, reżyserując m.in. "Anię z Zielonego Wzgórza". Około 1981 roku przeszedł do studia Telecom Animation Film Co., Ltd., gdzie reżyserował "Jarinko Chie". Pracował także z Miyazakim nad "Przygodami małego Nemo w krainie snów", jednak porzucili projekt przez nieporozumienia z amerykańską stroną produkcji.

W 1985 roku razem z Miyazakim oraz producentem Toshio Suzukim założyli własną wytwórnię o nazwie Studio Ghibli. Pod jego egidą wyreżyserował "Grobowiec świetlików", który zapewnił wytwórni międzynarodową estymę, a także "Powrót do marzeń", "Szopy w natarciu", "Rodzinkę Yamadów" oraz "Księżniczkę Kaguyę" (nominacja do Oscara). Zmarł w 2018 roku po tym, jak zdiagnozowano u niego raka płuc.