La carrière de Shinichirō Watanabe commence au sein de la Sunrise, où il s’occupe de la production et des storyboards de Armor Hunter Mellow Link en 1988 et de Mobile Suit Gundam 0083 : Stardust Memory en 1991. Puis il passe à la réalisation en co-signant celle de l’OAV Macross Plus, avec Shoji Kawamori.
Puis vient en 1998 la série Cowboy bebop dont Watanabe assure la réalisation, véritable séisme dans l’animation japonaise avec un concept et un univers à cent lieues des standards du moment au Japon. Qui dit série à succès dit lancement d’un long métrage. Watanabe reprend son rôle de réalisateur et réussit le pari de passer d’une durée standard de trente minutes par épisode à un long métrage de près de deux heures (Cowboy Bebop Knockin on Heaven Door)
En 1999, Shinichirō Watanabe est approché par les frères Wachowski pour travailler sur la série de dessins animés Animatrix. Preuve du respect des Wachowski pour l’œuvre de Watanabe, celui-ci est le seul des sept réalisateurs attitrés d'Animatrix à réaliser deux épisodes. Le premier, A Detective Story est un hommage au film noir américain relatant la rencontre entre un détective taciturne et Trinity. Le second, A Kid Story est l’épisode d’introduction à Matrix Revolution, contant comment le Kid, un personnage essentiel dans le troisième opus de la saga, est parvenu à sortir de la Matrice. Il est à noter que cet épisode s’illustre par son graphisme et son animation très déconstruits
Depuis 2004, Watanabe réalise sa nouvelle série anime pour la télévision avec Samurai Champloo, série en 26 épisodes, qui retrace les aventures de deux ronins totalement opposés qui aident une jeune serveuse à trouver un samourai qui sent le tournesol
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