В 1896 году окончил медицинский факультет Токийского университета и начал работать в Институте по исследованию инфекционных болезней под руководством Сибасабуро Китасато.
В 1897 году открыл и описал возбудителя бактериальной дизентерии. Позже в честь Киёси Сиги род бактерий, к которому относится эта палочка, был назван Шигеллой (Shigella). В русскоязычной литературе палочку Shigella dysenteriae называют бактерией Григорьева — Шиги, или палочкой Григорьева — Шиги (А. В. Григорьев, 1860—1916, — российский судебный медик и микробиолог, высказавший в 1891 году предположение о роли неподвижных кишечных палочковидных бактерий в развитии дизентерии).
В 1901—1905 годах работал в Германии с Паулем Эрлихом. Плодом их сотрудничества стал вышедший в 1904 году фундаментальный труд по химиотерапии инфекционных болезней.
Вернувшись в Японию, Сига с Сибасабуро Китасато возобновил исследования инфекционных заболеваний. В 1920 году Сига стал профессором в университете Кэйо.