Atsushi Sakai débute sa carrière comme continuiste au sein d’ensembles baroques, tels Les Talens Lyriques ou Le Concert d’Astrée. Encouragé par Diego Masson, il décide de se consacrer à la direction d’orchestre et devient chef assistant pour des productions d’opéra au Théâtre des Champs-Élysées ou au Festival International d’Art Lyrique d’Aix-en-Provence. En 2010, il dirige la production de l’Amant Jaloux de Gretry à l’Opéra Comique et plus récemment, Actéon de Charpentier à l’Opéra de Lille et de Dijon. Depuis 2006, il collabore régulièrement avec l’Orchestre Français des Jeunes.
Passionné très tôt par la musique contemporaine, il suit aussi des stages à l’IRCAM, notamment avec Magnus Lindberg et Ivan Fedele. Invité dans de nombreux festivals en France, aux États-Unis et au Japon, il y interprète la sonate pour violoncelle seul de B.A. Zimmermann. Son disque consacré aux œuvres de T. Takemitsu est salué par la critique. Depuis 2013, il interprète et enregistre les œuvres de Bernard Cavanna.
En 2015, il crée son concerto Double-Eco pour violon, violoncelle et ensemble amplifié de 27 musiciens. Comme violiste de gambe, il collabore avec George Benjamin et Alexander Goehr. Actif également dans le milieu du jazz en tant qu’improvisateur, il se produit régulièrement avec Christophe Monniot, David Chevallier et Guillaume Roy.
Depuis 2011, il est membre du Quatuor IXI, dont le dernier disque Temps Suspendus reçoit en 2015 un Choc du Jazz Magazine.