Sorayama se graduó en 1968 a la edad de 21 años y obtuvo una cita en una agencia de publicidad. Se convirtió en ilustrador independiente en 1972. En 1978, dibujó su primer robot. Sobre este tema, escribió: "Un amigo mío, el diseñador Hara Koichi, quería usar al C-3PO de Star Wars para un póster. Pero el tiempo era poco y había problemas con los derechos de autor, así que se me pidió que inventase algo".

El libro de arte de Sorayama Sexy Robot, publicado en 1983, hizo que sus formas de robótica orgánica fueran famosas en todo el mundo. Su próximo libro, Pin-up (Graphic-sha, 1984), continuó en la misma línea. Varias de sus otras obras giran de manera similar alrededor de figuras en poses sugerentes, incluyendo representaciones altamente realistas en látex y cuero. Su trabajo pin-up apareció mensualmente durante años en las páginas de la revista Penthouse, y Playboy TV luego se emitió un especial de televisión sobre el arte de Soryama. Sorayama dijo sobre el trabajo de pin-up: "Esa es mi manía. Las he estado dibujando desde la escuela secundaria. En ese entonces, esto era para los compañeros Playboy y Penthouse. Ahora es la chica de al lado, pero en nuestros días estos pin-ups eran como diosas. Creo que podría describirlo como mi propio culto de diosa".

En 1985 Sorayama publicó el video Illustration Video, su primer trabajo aparte de los libros de ilustraciones. Este presenta el trabajo que hizo para las películas Brain Dead (1992), Timecop (1994) y Space Trucker (1995); diseño de cartas coleccionables, copias de edición limitada, CD-ROM y la portada del álbum Just Push Play de Aerosmith de 2001; exhibiciones de arte; y el diseño inicial de lo que eventualmente se convertiría en la "mascota" robótica similar a un perro de Sony, la AIBO. Publicó cuatro libros mas en la década de 1980, y tres nuevos volúmenes más una colección retrospectiva en la década de 1990. En 1994 fue invitado a hablar antes de Industrial Light & Magic (ILM), propiedad de George Lucas. Los modelos de producción de Sony AIBO salieron al mercado el 11 de mayo de 1999 y el primero de los dos traídos a los Estados Unidos para los shows de Sorayama siguen formando parte de las colecciones de Artspace Company Y LLC.

En la década de 2000, el diseño AIBO de primera generación de Sorayama (cuya robótica fue desarrollada por Toshitada Doi de Sony) recibió el Gran Premio al Mejor Diseño, el premio de diseño más alto otorgado por Japón. Desde entonces, AIBO se ha incluido en las colecciones permanentes del Museo de Arte Moderno (MOMA) y la Institución Smithsonian. También en esta década, Soryama produjo nueve libros más, y el "White Dunk Project" de Nike incluyó el arte de Sorayama entre los 25 artistas japoneses más inspiradores.

El artista lanzó otra retrospectiva, Master Works, a principios de 2010, y un nuevo libro, Vibrant Vixens, en mayo de 2013 y la versión actualizada "XL Masterworks" en 2014 siendo su libro más completo en ese momento. Trabajó con cineastas en Hollywood en proyectos de fantasía y ciencia ficción, incluida una película sobre Penthouse. Durante 2012 y 2013, Sorayama trabajó en proyectos con el diseñador de moda estadounidense Marc Ecko. En 2013 y 2014, Sorayama fue contratado por el cineasta George Lucas para crear una expansión de twi'lek y droid fantasía Star Wars pin-ups para un libro de arte tributo titulado Star Wars Art Concept, cerca de la época en que la compañía de Lucas Lucasfilm fue vendida a Disney.

Trabajando en creaciones con las compañías más notables del mundo continuó hasta 2016. Esto con el trabajo de Sorayama incluido en el diseño de producto/arte en Ironman 3 de Marvel Comic; uno de los fabricantes de monopatines más grandes del mundo, el skateboard de Darkstar, nombrado con la robótica orgánica Sorayama; y recientemente una línea de ropa.

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