Katsuhito Ishii wurde am 31. Dezember 1966 in der Präfektur Niigata, Japan, geboren. Er absolvierte sein Studium im Fachbereich Visuelle Kommunikationsgestaltung an der Musashino Kunstuniversität, wo er unter dem Einfluss des Regisseurs Kohei Oguri stand. Nach seinem Eintritt in die Produktionsfirma Tohokushinsha Film im Jahr 1991 begann Ishii 1992 mit der Regie von Fernsehwerbespots, einem Bereich, in dem er später mehrere Auszeichnungen gewinnen sollte. Sein erster Kurzfilm, The Promise of August, wurde 1995 veröffentlicht und gewann einen Hauptpreis auf dem Yubari International Fantastic Film Festival.

Ishii gab sein Spielfilmregiedebüt 1998 mit Shark Skin Man and Peach Hip Girl, einer Adaption des Kult-Mangas von Minetaro Mochizuki. Es folgte Party 7 im Jahr 2000, eine weitere Manga-Adaption, die einen Wandel hin zu einer exzentrischeren und stilisierten Form der schwarzen Komödie zeigte. Während er mehrere Realfilme gedreht hat, die auf internationalen Festivals Anerkennung fanden, darunter The Taste of Tea, der die Quinzaine des Réalisateurs der Internationalen Filmfestspiele von Cannes eröffnete, ist Ishii auch ein bedeutender Schöpfer in der Animationsbranche.

Seine Arbeit in der Animation ist durch originelle Kreationen und nicht durch Adaptionen geprägt. In den frühen 2000er Jahren schuf er den 3D-animierten Kurzfilm Hal & Bons und die 2D-Space-Opera-Serie Trava: Fist Planet, bei der er als Regisseur fungierte. Er wirkte außerdem als Charakterdesigner und Storyboard-Künstler für die animierte Sequenz in Quentin Tarantinos Kill Bill: Volume 1. Ishii ist am bekanntesten für seine Rolle als ursprünglicher Schöpfer des Films Redline aus dem Jahr 2010. Für dieses Projekt wird er als Autor der Originalgeschichte, Drehbuchautor und Charakterdesigner genannt. Der Film, produziert von Madhouse, benötigte sieben Jahre zur Fertigstellung und gilt als Meilenstein der handgezeichneten Animation. Er war auch der Autor des Originalkonzepts und Drehbuchs für den Gambo-Segment des Anthologiefilms Short Peace.

Ishii gründete seine eigene Produktionsfirma, Nice Rainbow, im Oktober 2006. Seine künstlerische Identität ist stark grafisch und stilisiert geprägt, was seinen Hintergrund in der Werberegie und eine tiefe Affinität zu Manga und Storyboarding widerspiegelt. Akademische Analysen seines Werks, insbesondere von The Taste of Tea, deuten darauf hin, dass seine Erzählungen oft das Monströse oder Fantastische als Methode verwenden, um zeitgenössische kulturelle Ängste zu interpretieren und zu vermitteln. Dieser Ansatz schafft eine einzigartige Mischung aus surrealem Humor, Pop-Ästhetik und emotionsloser Tiefe, die sich durch seine Realfilm- und Animationsprojekte zieht. Er hat auch als kreativer Berater für die Lupin-the-Third-Ablegerfilme gearbeitet. Durch Werke wie Redline hat sich Ishii als bedeutende Figur der Branche etabliert, die die Welten des unabhängigen Realfilms und des hochbudgetierten, autorengetriebenen Anime verbindet.