1962年にアメリカボストン市のバークリー音楽院に留学した。在学中にチコ・ハミルトン、ゲイリー・マクファーランド、ガボール・ザボ等と共演。ゲイリー・マクファーランドを通じてボサノヴァの魅力を知り、1965年に帰国してからは多くの内外ミュージシャンと共演し日本ジャズ界のリーダーとして活動する一方、ボサノヴァの演奏にも熱心に取り組む。1968年にはニューポートジャズ祭に出演。1969年に発売されたアルバム『PASTORAL』からはいわゆる“ジャズ”を超えた音作りに取り組み、1977年発売のアルバム『渡辺貞夫リサイタル』では芸術祭大賞を受賞した。デイヴ・グルーシン等を従えて制作したフュージョン・アルバム『カリフォルニア・シャワー』（1978年発表）はジャズ界では空前の大ヒット作となり、フュージョン・サウンドをポピュラー音楽として広めることになる。又、アフリカ音楽等ワールド・ミュージックのエッセンスを逸早く吸収し自身の音楽世界を創造して来た先見性は目を見張るものがあった。そしてチャーリー・パーカーを原点とした彼のアルト・サックス奏法は現在まで変わることはない。