出羽田川郡(山形県)出身。鶴岡藩士(庄内)平向勇次郎の長男として生まれる。旧姓は平向。佐藤安之の養子。
1887(M20)海軍兵学校を4番の成績で卒業(14期)。同期に鈴木貫太郎(後の首相、大将)、小笠原長生(後の東郷元帥の懐刀、中将)、岩村俊武(13-1-51-18)らがいた。
少尉候補生となり、砲艦「筑波」乗組。同年、練習艦遠洋航海出発し、米国西海岸からパナマを経由し、タヒチやホノルルを方面巡航した。翌年帰朝。
「浪速」、「大和」、「鳥海」の乗組を歴任し、航海長心得までになる。1892海軍大学卒業。同年、横須賀鎮守府附海兵団分隊長心得を経て、初代「赤城」航海長となり、1894日清戦争に従軍。
9.16黄海海戦での混戦にて赤城は30発も被弾して艦長を含む11名が戦死、佐藤を含む17名が重軽傷を負った。負傷し船も中破されたが、艦長不在の中で指揮を取り続けた。
清国は日本の主力艦ではなく、赤城や旗艦松島の弱小艦にこだわり、追いかけすぎた結果、陳列が乱れ指揮系統も乱れたことが敗因につながった。
勇敢なる水兵と言われ、赤城の佐藤、松島の三浦虎二郎は賞賛された。その後、1895横須賀鎮守府附海兵団分隊長。1896「浪速」航海長兼分隊長、海軍省軍務局第1課僚、翌年、海軍省軍務局軍事課僚。
1899.5.13山本権兵衛海軍大臣の命令により、在イギリス日本公使館附駐在武官として1年、1901.1.16在アメリカ日本公使館附駐在武官として約1年滞在し、国防に関する勉強をして、同年.10.12帰朝。
イギリスのコロム中佐とアメリカのマハン大佐の著述を特に愛読し、帰国後、1902海軍大学校教官に任命されると、授業にそれらの成果を生かすとともに、『帝国国防史論』を著して海主陸従論を展開。
内容は、国防の三線を「第一線は海上、第二線は海岸、第三線は内陸部」と分け、陸軍を海外に出兵させて戦うためには、先立って必ず海上を制圧できる海軍を備えねばならず、敵の日本上陸を防ぐためにも同じように海上を制圧する必要があると説いている。
この本を山本海相に提出、山本はそれを明治天皇に献上した。これに陸軍(後に大将・首相)田中義一(6-1-16-14)が反論したが、決着がつかぬ間に日露戦争が勃発してしまたっため、佐藤は終生陸軍から嫌われることになった。
陸大教官の後は、、通報艦「宮古」副長、巡洋艦「厳島」副長を務める。1903装甲巡洋艦「出雲」副長となり、常備艦隊参謀、 第2艦隊参謀となり日露戦争を迎えた。
日本海海戦では旗艦「出雲」にあり、「スワロフ」の突然の回頭を舵の故障と見抜き、上村長官にこのまま直進して砲撃することを進言した。
このため結果的には「三笠」からの一斉回頭命令に不服従という結果になったが、バルチック艦隊撃滅の端緒をつかんだ勇気ある独断専行とされている。
戦後はその自分の判断を自慢することなく、日本にとって運が良かったと強調している。
1905「朝日」副長、「龍田」初代艦長。1907海軍大学校教官、同年海軍大佐となる。1908「宗谷」、「阿蘇」の艦長、海軍大学教官、教頭を経て、1912.12.1(T1)海軍少将、海軍省軍令部第4班長となった。
1913第1艦隊参謀長、1914海軍省軍令部第1班長、1915海軍省軍令部次長 兼将官会議議員、海軍大学校長、1916海軍中将に昇進。1920.8.16舞鶴鎮守府司令長官、1921.12.1将官会議議員を歴任し、1922.4.10待命、1923.3.31予備役、7.13後備役、1931.7.13(S6)退役。
1928(S3)勲一等瑞宝章受章。1934.7.3〜1942.2.28貴族院議員(勅撰)を務めた。主な著書に『帝国国防論』、『帝国国防史論』、『帝国国防新論』、『大日本海戦史談』、『海軍戦理学』がある。正3位 功3級。享年75歳。
海主陸従論者として軍縮は一貫して反対の立場をとり、条約派の雄・加藤友三郎と合わず、並みの大将よりも有名な中将として、海軍随一の理論家であった。