Watanabe nació en Kyoto. Después de unirse al estudio de animación japonés Sunrise, supervisó la dirección del episodio y los guiones gráficos de numerosos anime de Sunrise, y pronto hizo su debut como director como codirector de la bien recibida actualización de Macross, Macross Plus. Su siguiente esfuerzo, y su primera aventura como director, fue la serie de 1998 Cowboy Bebop, que recibió elogios universales y es considerada por muchos como una de las mejores series de anime de todos los tiempos. Fue seguida por la película de 2001 Knockin ‘ on Heaven’s Door. En 2003, Watanabe dirigió su primer anime producido en Estados Unidos, los cortometrajes Kid’s Story y A Detective Story, ambos parte de The Animatrix, una antología de cuentos animados de The Matrix. Su siguiente trabajo como director fue la aclamada serie de anime de 2004 Samurai Champloo, que comenzó a transmitirse en Fuji Television en Japón el 19 de mayo de 2004.

Tras el lanzamiento de Samurai Champloo, Watanabe dirigió un cortometraje llamado Baby Blue que fue lanzado el 7 de julio de 2007 como un segmento de la película de antología Genius Party. En los últimos años, ha estado activo como productor musical creativo, supervisando la película de 2004 Mind Game, Michiko & Hatchin de 2008, y supervisando los guiones gráficos para el episodio 12 de Tetsuwan Birdy: Decode. En 2012, dirigió la serie de anime Kids on the Slope (título japonés: Sakamichi no Apollon), una historia sobre jóvenes músicos de jazz, que se estrenó en abril de 2012 en el bloque Noitamina de Fuji TV.

En 2009 se anunció que Watanabe trabajaría como productor asociado en la próxima adaptación en vivo de Cowboy Bebop, junto a sus compañeros de Sunrise Kenji Uchida y Keiko Nobumoto. A partir de 2014, el proyecto está en pausa. Durante FicZone en Granada, España, se informó que Watanabe estaba colaborando con el estudio de anime BONES en una comedia de ciencia ficción espacial. BONES confirmó posteriormente que el estudio estaba trabajando con Watanabe, pero no confirmó el género de la serie. A finales de 2013, los tráilers originales de Space Dandy fueron lanzados al público. La versión doblada se estrenó en Adult Swim en su bloque Toonami el 4 de enero de 2014 en los Estados Unidos, horas antes de transmitirse en Japón. Es frecuentemente clasificado entre los mejores directores de animación de Japón.

Watanabe dirigió el corto de anime Blade Runner Black Out 2022, que se estrenó en 2017. El 29 de noviembre de 2018, se anunció que sería el productor creativo de Blade Runner: Black Lotus, una serie de anime producida para Adult Swim y Crunchyroll.