Dopo essersi diplomato alla scuola superiore di Yokohama nel 1968, cominciò a lavorare per alcuni anni come animatore alla Mushi Production, fino alla sua chiusura nel 1973. Entrò quindi alla Madhouse e negli anni '70 fu promosso a direttore dell'animazione (sakkan), debuttando poi come regista nel 1984 con SF Shinseiki Lensman insieme al più esperto Kazuyuki Hirokawa. Interessato ad un tipo di animazione più cupo, diresse il secondo episodio dell'omnibus movie Manie-Manie - I racconti del labirinto, dal titolo Hashiru Otoko (L'uomo che correva), ed in seguito la Madhouse lo scelse per dirigere un cortometraggio di 35 minuti basato su racconti di Hideyuki Kikuchi, uscito col titolo Yoju Toshi (La città delle bestie incantatrici). La produzione rimase così impressionata dal lavoro che gli chiese di farne un lungometraggio. Kawajiri accettò, ed in meno di un anno completò quello che sarebbe stato il suo primo film dall'idea iniziale al montaggio finale. Dopo il successo commerciale e di critica riscosso dal film, uscito nel 1987, Kawajiri si guadagnò molta più libertà, ed ebbe la possibilità di cominciare a scrivere e disegnare un proprio film ambientato nel Giappone feudale ed ispirato alle gesta dell'eroe popolare giapponese Jubei Yagyu, dal titolo Jubei Ninpucho (Ninja Scroll), che però vedrà la luce solo nel 1993. Nel frattempo, nel 1988 conclude il dittico iniziato con Yoju Toshi realizzando il film Magai Toshi (Demon City), in cui sperimenta nuove tecniche di regia, tra cui il bullet-time, una sua invenzione resa celebre dai fratelli Wachowski in Matrix. Tra i successivi lavori di regia il film Midnight Eye Goku del 1989 e l'OAV Cyber City Oedo 808 (Cyber City) l'anno seguente. Dopo l'uscita di Ninja Scroll, scrive e dirige, tra l'altro, i 4 OAV di Tetsuwan Birdy nel 1996, il film Vampire Hunter D: Bloodlust nel 2000, e la serie TV X nel 2001. Riconosciuto ormai a livello internazionale grazie all'uscita anche in Occidente di Ninja Scroll, nel 2002 non a caso viene chiamato dai fratelli Wachowski a partecipare ad Animatrix, opera collettiva ispirata alla saga che ha visto coinvolti i migliori anime maker giapponesi, di cui scrive e dirige il sesto episodio, World record. Ultima fatica il film Highlander - The search for vengeance, uscito nel 2007.