Ses principales réalisations sont : le studio multimédia d'Oogaki (Gifu) (1997), l'immeuble de logements à Motosu (Gifu) (1998) qui l'a fait connaître en Europe ; le Musée-O à Iiga (Nagano) (1999), le musée d'Art Contemporain de Kanazawa, la boutique Christian Dior à Tōkyō. Si tous ces projets ont été réalisés sur le sol japonais, les derniers concours remportés par Kazuyo Sejima lui ont permis d'accéder au rang d'architecte majeur de l'architecture contemporaine. Actuellement une dizaine de projets de SANAA ont été réalisés en Europe et aux États-Unis, parmi lesquels : une école de design (DSZ - Design School Zollverein) à Essen (Allemagne), l'Institut de Valence d'art moderne (IVAM) (Espagne), le Rolex Learning Center à l'EPFL (Lausanne) et le New Museum of Contemporary Art de New York (États-Unis).
Le 26 septembre 2005, elle s'est vue confier avec Ryue Nishizawa la maîtrise d'œuvre du Musée du Louvre à Lens.
En 2010, elle gagna le prix Pritzker aux côtés de son collègue Ryue Nishizawa.