Tohru Ukawa memulai karir balapnya di Grand Prix di tahun 1994, ia membalap di kelas 250cc sebagai pembalap wildcard di seri Suzuka Jepang. Walau baru pertama kali merasakan persaingan antar pembalap terbaik dunia, dia mampu finish ketiga dibelakang pembalap top di kelas itu sebut saja Tadayuki Okada, Max Biaggi dan Loris Capirossi.
Atas capaiannya ini tak langsung membuat Ukawa memutuskan untuk turun selama satu musim penuh di Grand Prix di kelas 250cc. Di tahun 1994 dan 1995 dia masih berkompetisi di kejuaraan nasional di jepang dan menjadi juara nasional selama dua tahun berturut turut, atas prestasinya ini dia kemudian mulai menjadi pembalap Grand Prix di tahun 1996.
Tahun 1996 bukanlah tahun yang buruk bagi pembalap yang baru pertama kali menjalani satu musim penuhnya di Grand Prix. Ukawa berhasil menempati urutan ke enam klasmen akhir di kelas 250cc, pun di tahun 1997 dan 1998 dia berhasil menempati urutan ke lima di klasmen akhir.
Hasil manis diperoleh Tohru Ukawa di musim ke empatnya di kelas 250cc tahun 1999. Dia berhasil meraih kemenangan pertamanya di Grand Prix di sirkuit Paul Richard Perancis tahun 1999. Di tahun ini juga Ukawa meraih banyak sekali podium kedua.
Tahun 1999 merupakan tahun yang hebat bagi Ukawa, bersaing dengan pembalap hebat seperti Sinya Nakano, Loris Capirossi dan Valentino Rossi. Valentino Rossi bahkan menyebutnya sebagai rival terberatnya saat di kelas 250cc. Walaupun Ukawa tidak berhasil menjadi juara dunia di tahun ini dan harus puas berada di urutan kedua klasmen, tapi penampilannya ini berhasil menarik perhatian tim pabrikan Repsol Honda untuk merekrutnya sebagai pembalap di kelas 500cc.
Menjadi pembalap pabrikan saat di kelas 500cc berarti punya peluang untuk menjadi juara dunia. Tapi penampilannya di tahun pertama kelas 500cc tidak terlalu gemilang. Hanya sekali finish di urutan ketiga dan hanya meraih sekali pole position di Grand Prix seri Brazil. Ukawa pun hanya menempati urutan ke sepuluh klasmen akhir di kelas 500cc.
Saat nama kejuaraan di kelas tertinggi berganti menjadi MotoGP di musim balapan tahun 2002, Tohru Ukawa bisa menang balapan untuk pertama kalinya di kelas MotoGP seri Afrika Selatan. Saat itu pembalap depan diisi oleh Tohru Ukawa, Valentino dan Loris Capirossi. Rossi langsung memimpin balapan sejak awal lomba diikuti Ukawa di posisi kedua. Di pertengahan lomba Rossi sengaja menurunkan kecepatannya agar Ukawa memimpin balapan, dia melakukan ini agar di lap terakhir Rossi bisa menyerang Ukawa dan memenangkan balapan. Tapi sayangnya saat Valentino Rossi memimpin balapan di lap terakhir dia melakukan kesalahan dan melebar di tikungan, Ukawa pun menyalip Rossi dan memenangi balapan di seri Afrika Selatan.
Tahun 2002 merupakan musim terbaik bagi Tohru Ukawa, bisa cukup banyak finish diurutan kedua dan ketiga. Ukawa mengakhiri musim balap 2002 dengan berada di urutan ketiga dibelakang Max Biaggi. Hasil baik ini tak lantas membuat Tohru Ukawa senang, ada nada nada sumbang yang mengatakan jika ‘bahkan ukawa saja bisa menang dengan motor itu’ karena memang di saat itu motor pabrikan Honda adalah motor yang paling cepat diantara motor pabrikan lain.
Hal itu membuat Ukawa lebih termotivasi dan ingin membungkam orang orang yang mengatakan hal seperti itu. Akhirnya di tahun 2003 Ukawa pindah dengan tim lain untuk membuktikan anggapan itu salah. Tapi sesuatunya tidak berjalan seperti yang diharapkan. Tohru Ukawa tidak pernah meraih podium satu kali pun dan mengakhiri musim itu dengan hanya menempati urutan ke delapan klasmen. Di tahun 2003 ini pun Tohru Ukawa memutuskan untuk mengakhiri karirnya di kelas tertinggi MotoGP.
