W 1980 ukończył studia inżynieryjne na Uniwersytecie Tokijskim. W 1983 na tej samej uczelni uzyskał doktorat z inżynierii kosmicznej. W swojej pracy naukowej zajmował się systemami napędowymi i technologią mikrograwitacyjną. W 2004 uzyskał też doktorat z astronomii na Uniwersytecie Rice’a.
W 1985 Doi rozpoczął pracę w National Space Development Agency w Japonii, w programie lotów załogowych. W latach 1987–1988 prowadził badania nad dynamiką cieczy w warunkach mikrograwitacji na Uniwersytecie Kolorado w Boulder oraz w 1989 w National Aerospace Laboratory w Japonii. W 1992 był rezerwowym w misji Spacelab Japan (STS-47). W 1994 pracował jako specjalista dla misji Microgravity Laboratory 2 (STS-65). W 1997 odbył lot kosmiczny w ramach STS-87, czwartej z kolei misji skupionej na problematyce mikrograwitacji. Doi, jako pierwszy Japończyk w historii, odbył w czasie lotu dwa spacery kosmiczne, o łącznym czasie trwania 12 godzin 43 minut. Po raz drugi poleciał w kosmos z misją STS-123 11 marca 2008.
