Tatsuya Nakadai hatte von 1952 bis 1955 eine Schauspielausbildung bei der Theatergruppe Haiyu-za, deren Mitglied er bis 1979 war. Sein Filmdebüt hatte er in einer dialoglosen Rolle eines Samurai in Akira KurosawasDie sieben Samurai (1954). In Masaki Kobayashis Trilogie Barfuß durch die Hölle (1959–1961) spielte er einen Pazifisten, der als Soldat an die Front geschickt wird, mit solcher Ausdrucksstärke, dass er in Japan quasi über Nacht zu einem gefeierten Superstar wurde.
Internationale Bekanntheit erlangte er durch seine Rollen bei Kurosawa, der ihn zunächst in Negativrollen besetzte, wie dem Killer in Yojimbo – Der Leibwächter (1961) und einem Intriganten in Sanjuro (1962). Nach dem offenen Bruch zwischen dem Regisseur und dessen regelmäßigem Hauptdarsteller Toshirō Mifune spielte Nakadai die Hauptrollen in Kurosawas Spätwerken Kagemusha (1980) und Ran (1985). Insgesamt hat er bis heute in über 120 Filmen mitgespielt und ist immer noch als Schauspieler aktiv.
Nakadai erhielt 1963 einen Kinema Junpo Award als bester Hauptdarsteller in den Filmen Sanjuro und Harakiri. Seit 1975 leitet er eine private Schule für Nachwuchsschauspieler namens „Mumei-juku“.