La mayoría de sus estructuras son de hormigón armado, el material moderno más apropiado para la construcción en Japón, un país donde los terremotos son frecuentes y el uso de acero y el vidrio está muy limitado. El arquitecto franco-suizo Le Corbusier, el gran maestro en el empleo de hormigón en bruto, ejerció sobre Tange una influencia decisiva. Durante la década de 1950 proyectó un gran número de edificios públicos como palacios de congresos, bibliotecas y ayuntamientos.
Su estilo se consolidó en 1958 con las oficinas para la Prefectura de Kagawa en Takamatsu, un edificio de nueve plantas en el que dejó a la vista el sistema de vigas y pilares de hormigón pretensado, inspirado en las estructuras de madera de los castillos medievales japoneses. Para los Juegos Olímpicos de Tokio de 1964 construyó dos pequeños estadios, caracterizados por su elegancia y por la disposición de cubiertas suspendidas. Su catedral católica en la capital nipona (1965) es una composición sencilla centrada en una aguja helicoidal de hormigón y vidrio, flanqueada por cuatro cubiertas parabólicas de acero inoxidable. Fue el responsable de la planificación general de la Exposición Universal de 1970 celebrada en Osaka, y a partir de este encargo dio un giro a sus planteamientos estilísticos, evolucionando hacia una arquitectura más orgánica. Entre sus proyectos más visionarios destaca el plan de ampliación de Tokio, basado en la ocupación de su bahía, aunque el más monumental sea el de las torres gemelas para las oficinas del Gobierno Metropolitano de la ciudad (1991).