Prolifico e versatile caratteristica giapponese, Kazuki Kitamura nasce a Osaka il 17 luglio 1969. Nella sua città frequenta una scuola professionale, ma a 19 anni decide di fare esperienza all'estero e così vive per quattro anni in Australia e in Sud America. Appassionato di cinema sin dall'infanzia, rientrato in Giappone, intraprende la strada della recitazione e inizia a lavorare come attore per la casa di produzione From First Pro. Il suo idolo e modello è l'americano Tyrone Power, eroe malinconico e bel tenebroso di film realizzati tra gli anni Trenta e Cinquanta. Dopo una comparsata in Yuki no Concerto nel 1991, debutta sul grande schermo nel 1996 in Closing Time di Masahiro Kobayashi con il suo vero nome, Yasushi Kitamura.

Nel cinema giapponese di serie A
Kitamura fa subito il salto nel cinema che conta, recitando in The Way to Fight (1996) di Takashi Miike, duello tra due giovanissimi pugili innamorati della stessa ragazza. Dopo il drammatico Onibi (1997) di Rokuro Mochizuki, l'attore torna a lavorare con il celebre Takashi Miike sul set del nostalgico Young Thugs: Innocent Blood (1997) e il regista sceglie per lui il nome d'arte di Kazuki. Ha un piccolo ruolo ne L'anguilla (1997) di Imamura Shohei, film su un uxoricida, vincitore della Palma d'oro al Festival di Cannes in ex aequo con Il sapore della ciliegia di Abbas Kiarostami. Incarna Matsuba in Full Metal Yakuza (1997), film cult di Takashi Miike, omaggio in salsa "yakuza" a Full Metal Jacket di Stanley Kubrick. Pur in ruoli secondari, Kitamura continua a essere prediletto da Miike, che lo sceglie anche per la storia d'amore tra un uomo e il clone digitale della sua fidanzata morta in Andoromedia (1998), nonché per il violento, originale e provocatorio Dead or Alive (1999). Miike lo promuove al ruolo di protagonista nella storia d'amore criminale di Ley Lines (1999), in cui l'attore interpreta Ryichi, un ragazzo di origini cinesi che vive in Giappone, continuamente discriminato a causa delle sue origini, che decide di riscattarsi intraprendendo la strada della criminalità. Lo vediamo poi in The Perfect Education (1999) di Ben Wada, su un quarantenne che sequestra una studentessa con l'unico scopo di farsi amare. È nel cast del drammatico Freeze Me (2000) di Takashi Ishii, sui tormenti di una ragazza vittima di stupro, che torna a essere perseguitata dai suoi aguzzini. Presta il volto a Kanbe'e Inoue nell'action Azumi (2003) di Ryûhei Kitamura, tratto dall'omonimo manga incentrato su un'eroina samurai, e nel sequel Azumi 2 (2005) di Shusuke Kaneko. Lo vediamo nell'action soprannaturale Sky High (2003), sempre di Ryûhei Kitamura.

Il cinema americano
È un piccolo ruolo, ma pesa come un macigno, quello di un membro degli 88 folli, avversari della protagonista, nel film cult Kill Bill vol. 1 (2003), scritto e diretto da Quentin Tarantino, con Uma Thurman nei panni della sposa vendicatrice. Questo lungometraggio, di enorme successo, segna l'incursione di Kitamura nel cinema americano, seppur in stile "yakuza". Nel 2003 l'attore torna a recitare in un film di Takashi Miike, The Man In White. Lo vediamo poi in Blood and Bones (2004) di Yichi Sai. È il Controllore del Pianeta X in Gojira - Final Wars (2004) di Ryhei Kitamura, il ventottesimo film dedicato al re dei mostri. Incarna il samurai Linuma Shichibei in Samurai Commando: Mission 1549 (2005). Lavora poi sui set di Tokyo Friends: The Movie (2006) di Kozo Nagayama e -oku - Il film (2006) di Toru Hayashi. Nel 2007 ha di nuovo un ruolo di primo piano, quello di Kazuma Kiryu, il protagonista della saga videoludica "Yakuza", in Like a Dragon di Takashi Miike, adattamento cinematografico del famoso videogioco. Dopo Samurai Gangster (2008) di Masahiko Tsugawa, lo vediamo nel poliziesco The Devotion of Suspect X (2008) e nella trasposizione della serie animata fantascientifica Star Blazers, Space Battleship Yamato (2010) di Takashi Yamazaki. Sono diversi gli adattamenti cinematografici da manga in cui Kitamura recita, come Kaibutsu-kun (2011). Nel 2012 interpreta Ceionius nella commedia Thermae Romae di Hideki Takeuchi, tratto da un manga di grande successo, incentrato su un progettista di terme dell'antica Roma che viene catapultato nel Giappone del futuro, dove carpisce i segreti di una civiltà tecnologicamente più avanzata e li sfrutta per diventare l'architetto più celebre dell'impero. Kitamura riprende il suo personaggio nel sequel Thermae Romae II (2014). Nel frattempo lo vediamo anche nel drammatico Japan's Tragedy (2012) di Masahiro Kobayashi, nell'action americano The Raid 2: Berandal (2013) di Gareth Evans e nel thriller Killers (2013) dei Fratelli Mo, Kimo Stamboel e Timo Tjahjanto, incentrato su una sfida tra serial killer in Estremo Oriente.