규슈 산촌의 촌장 집안에서 태어났다. 아버지는 지방 행정관으로, 외진 곳이었지만 어린 시바사부로에게 교육의 기회를 제공했다.

신설된 구마모토 의학교에 입학. 네덜란드인 의사 만스펠트로부터 서양 의학을 배우고 의학 연구에 관심을 갖게 되었다.

도쿄 의학교(후의 도쿄대학 의학부)로 전학하여 일본인 및 외국인 교수들 밑에서 고급 의학을 공부했다.

일본 정부의 파견으로 베를린에 유학. 근대 세균학의 창시자이자 결핵균 발견자인 로베르트 코흐의 연구실에 들어갔다.

세계 최초로 파상풍균의 순수배양에 성공. 전 세계 연구자들이 이루지 못한 이 위업으로 일류 세균학자로서의 명성을 확립했다.

에밀 폰 베링과 함께 파상풍과 디프테리아의 혈청요법을 개발. 이 획기적인 치료법은 수많은 생명을 구하고 근대 면역학의 기초를 닦았다.

귀국 후 정부의 지원을 받아 전염병연구소를 설립. 일본 세균학 및 감염병 연구의 최고 기관이 되었다.

홍콩 페스트 유행 시 알렉상드르 예르생과 거의 동시에 페스트균을 독자적으로 발견. 이 발견은 페스트 유행의 이해와 통제에 필수적이었다.

혈청요법 업적으로 베링이 제1회 노벨 생리의학상을 수상했으나 기타사토의 동등한 공헌은 인정받지 못했다. 이는 노벨상 역사상 가장 논쟁이 많은 누락 중 하나로 남아 있다.

전염병연구소가 본의 아니게 도쿄제국대학으로 이관되자 사직하고 후쿠자와 유키치 문하의 실업가들의 지원을 받아 사립 기타사토 연구소를 설립했다.

게이오대학에 의학부를 창설하여 관립 의학교육의 대안을 제공. 관료의 간섭을 받지 않는 독립적인 과학 연구라는 신념을 구현했다.

일본 의학과 공중보건에 대한 공헌을 인정받아 남작에 서임되었다. 일본을 세균학 연구의 선진국으로 끌어올린 공로가 인정받았다.

새로 재편된 일본의사회의 초대 회장에 취임. 이 지위를 활용하여 일본 전역의 의료 수준 향상과 공중보건 정책 개선을 주창했다.

문화와 과학에 대한 공헌에 주어지는 일본 최고의 영예인 문화훈장을 수훈. 일본 의학 발전에 바친 평생의 업적이 인정받았다.

도쿄에서 78세로 서거. 기타사토 연구소, 게이오대학 의학부, 그리고 양성한 여러 세대의 연구자들이 그의 유산으로 남아 있다. 일본 세균학의 아버지로 기억된다.