Uchimura iniciou no desporto, aos três anos de idade, em um clube local. Em 2005, o atleta competiu em seu primeiro evento internacional, o Campeonato Internacional Japonês Júnior. Dois anos depois, o ginasta entrou para a equipe masculina principal do país. No mesmo ano, disputou a etapa de Copa do Mundo de Paris, conquistando a medalha de bronze no salto, e a nona colocação no solo.
Em 2008, na etapa de Tianjin, fora medalhista de ouro nos exercícios de solo. Em outubro do mesmo ano, em sua primeira aparição olímpica, nos Jogos Olímpicos de Pequim, o ginasta conquistou a medalha de prata na prova coletiva, superado pela equipe chinesa. No concurso geral, Kohei foi novamente medalhista de prata, ao não superar o anfitrião, Yang Wei, medalhista de ouro. Na final do solo, fora apenas quinto. Como último evento do ano, deu-se a etapa de Madrid, da Copa do Mundo. Nele, fora medalhista de prata no solo, superado pelo brasileiro Diego Hypólito.
Abrindo o calendário competitivo de 2009, disputou a etapa de Cottbus de Copa do Mundo, sendo medalhista de ouro nos exercícios de solo. Em outubro, participou do Campeonato Mundial de Londres. No evento classificou-se para três finais: geral, solo e barra fixa. No geral, favorecido com a queda de outros ginastas, conquistou a medalha e ouro. No solo, só terminou em quarto, e na barra, foi sexto. Como próximo compromisso, disputou a Copa Toyota, conquistando a medalha de ouro no solo e a prata na barra fixa.
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