เมื่อเข้าสู่สมัยกรุงศรีอยุธยาการติดต่อค้าขายระหว่างไทยกับญี่ปุ่นขยายตัวออกไปถึงภูมิภาคอื่นของญี่ปุ่น โดยรัฐบาลโชกุนโตกุงาวา (Tokugawa) ได้เริ่มใช้ระบบการออกใบอนุญาตให้แก่เรือญี่ปุ่นที่เดินทางมาค้าขายในเอเซียตะวันออกเฉียงใต้ตั้งแต่ต้นคริสตศตวรรษที่ 17 และได้ออกใบอนุญาตให้กับเรือที่มาค้าขายกับประเทศไทยเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1604 (พ.ศ. 2147) 
          จำนวนเรือญี่ปุ่นที่เดินทางมาค้าขายยังกรุงศรีอยุธยามีจำนวนมากก่วาที่ไปค้าขายกับประเทศใดๆ ในยุคนั้นในขณะที่เรือสินค้าของไทยก็เริ่มเดิงทางไปถึงเมืองนางาซากิ (Nagasaki) ซึ่งเป็นเมืองท่าทางตอนใต้ของญี่ปุ่นเป็นครั้งแรก ในปี ค.ศ. 1612 (พ.ศ. 2155) สินค้าที่ญี่ปุ่นซื้อจากไทย เช่น หนังกวาง งาช้างและเขาสัตว์ แร่ดีบุก และตะกั่ว การค้าระหว่างประเทศไทยและประเทศญี่ปุ่นในช่วงนี้ ทำให้มีพ่อค้าญี่ปุ่นเข้ามาตั้งถิ่นฐานอยู่ในกรุงศรีอยุธยาเป็นจำนวนมาก จนกลายเป็นชุมชนหรือหมู่บ้านญี่ปุ่น 

          ชาวญี่ปุ่นที่เข้ามาตั้งถิ่นฐานในหมู่บ้านในกรุงศรีอยุธยาส่วนใหญ่เป็นพ่อค้าคนกลางในการซื้อขายสินค้าต่างๆ และผู้นับถือศาสนาคริสต์ ซึ่งอพยพหลบหนีการจับกุมของรัฐบาลโชกุน ซึ่งมีนโยบายจำกัดสิทธิเสรีภาพในด้านศาสนา นอกจากนี้ยังมีบางส่วนเป็นอดีตซามูไรที่พ่ายแพ้การต่อสู้แย่งชิงอำนาจภายในและสูญเสียผู้นำกลุ่มของตนจึงเป็นกลุ่มคนที่เก่งอาวุธและการรบจึงมีบทบาทในการช่วยเหลือราชการทหาร 
           ภายหลังหมู่บ้านญี่ปุ่นในกรุงศรีอยุธยาก็เข้าสู่ยุคถดถอยเนื่องจากสูญเสียออกญาเสนาภิมุขซึ่งเป็นหัวหน้าด้านการทหาร เมื่อรัฐบาลโชกุนโตกุงาวาได้ประกาศไม่ให้คนญี่ปุ่นเดินทางออกนอกประเทศก็ส่งผลให้คนญี่ปุ่นไม่สามารถเดินทางออกนอกประเทศได้ ชาวญี่ปุ่นที่อยู่ในกรุงศรีอยุธยาจึงมีจำนวนลดลงโดยลำดับ จนกระทั่งหมู่บ้านญี่ปุ่นสลายไปในที่สุด 
          ประเทศไทยกับประเทศญี่ปุ่นเริ่มมีความสัมพันธ์ทางการทูตสมัยกรุงศรีอยุธยาโดยโชกุนโตกุงาวาได้ส่งคณะทูตมาเจริญสัมพันธไมตรีกับประเทศไทยเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1606 (พ.ศ.2149) ในสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ ในขณะที่ฝ่ายไทยได้ส่งคณะทูตชื่อ วิสูตรสุนทร และ พิพัฒนสุนทร ไปเจริญสัมพันธไมตรี กับประเทศญี่ปุ่นเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1616 (พ.ศ. 2159) 

          ต่อมาคณะทูตของไทยซึ่งนำโดย ขุนพิชัยสมบัติ และขุนปราสาท ได้เดินทางไปเจริญสัมพันธไมตรีกับรัฐบาลโชกุนอีกในปี 1621 (พ.ศ. 2164) โดยในครั้งนี้คณะทูตของไทยได้เข้าเยี่ยมคารวะโชกุนในวันที่ 1กันยายน ณ ปราสาทเมืองเอโดะ (กรุงโตเกียวในปัจจุบัน) นอกจากนี้ ในปี ค.ศ. 1623 (พ.ศ. 2166) คณะทูตของไทยนำโดย หลวงท่องสมุทร และขุนสวัสดิ์ ได้เดินทางไปญี่ปุ่น เพื่อขอความร่วมมือจากรัฐบาลโชกุนมิให้ญี่ปุ่นสนับสนุนกัมพูชาในการรบกับกรุงศรีอยุธยา เนื่องจากในขณะนั้นมีชาวญี่ปุ่นไปตั้งถิ่นฐานอยู่ในกัมพูชาและทำหน้าที่ทหารอาสาในลักษณะเดียวกับที่มีอยู่ในกรุงศรีอยุธยาเช่นกัน 
          ภายหลังการเยือนในครั้งนี้ คณะทูตทั้งสองฝ่ายอยู่เป็นระยะจนกระทั่งญี่ปุ่นปิดประเทศ และกรุงศรีอยุธยาเริ่มเกิดปัญหาศึกสงครามกับพม่า การติดต่อระหว่างรัฐบาลทั้งสองฝ่ายจึงหยุดชะงักไปเป็นเวลากว่า 200 ปี อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลาระหว่างนั้นยังคงมีการติดต่อค้าขายระหว่างกันอย่างต่อเนื่อง โดยผ่านพ่อค้าชาวฮอลันดาในเมืองนางาซากิ ซึ่งเป็นช่องทางเดียวที่รัฐบาลโชกุนให้ติดต่อการค้ากับต่างประเทศได้