rescue節があるから複数行だ、というご指摘もあるでしょうが、そこはご容赦を。
イディオム
マッチしない場合には空文字列を返すことにします。
begin
'%d:%d' % time_str.match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures
rescue
""
end
begin '%d:%d' % time_str.match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures rescue "" end
（コメント反映追記１）後置
rescue文なら読みやすさに問題なし'%d:%d' % time_str.match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures rescue ""（コメント反映追記２）時分を
Array#joinで繋げてしまうtime_str.match(/(\d{2})時(\d{2})分/).captures.join(":")（コメント反映追記３）対象文字列の必要部分が数字2文字×2なので、数字2文字を
String#scanで取得して配列化、それをArray#joinで繋げるtime_str.scan(/\d{2}/).join(':')
解説
部分マッチ抜き出し
String#matchはMatchDataオブジェクトを返します。
MatchDataはマッチ全体$&及び部分マッチ（$1, $2, …）を含みます。このため単純にMatchData#to_aを使うと
"12時34分".match(/(\d\d)時(\d\d)分/).to_a
=> ["12時34分", "12", "34"]
のようにマッチ全体も含んでいます。
ここで使いたいのは部分マッチ情報だけなのでMatchData#capturesを使います。
"12時34分".match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures
=> ["12", "34"]
ただし、部分マッチがなかった場合にMatchData#capturesはnilを返すので、その対策としてrescueしています。
フォーマット
MatchData#capturesで得られた配列をString#%でフォーマットします。
'%d:%d' % "12時34分".match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures
=> "12:34"
私はString#%の書き方に慣れていますが、違和感を感じる場合にはKernel.#formatやKernel.#sprintfなども使えます。ただし、Kernel.#formatやKernel.#sprintfの第2引数は配列を受けられないのでsplat（*）で開く必要があります。
format('%d:%d', *("12時34分".match(/(\d\d)時(\d\d)分/).captures))
=> "12:34"