A tokió-i születésű tudós a kiotó egyetemén szerzett atomfizikusi diplomát 1929-ben, itt dolgozott még három évig. Nevét a fotoelektromos párkeltést tárgyaló munkája tette ismertté. 1932-37 közt a tokiói Fizikai és kémiai Kutatóintézetben dolgozott, majd két évig Lipcsében, Werner Heisenbergnél tanult kvantumelméletet és magfizikát. 1941-ben lett a tokiói Bunrika Egyetem (Tanárképző Egyetem) fizikaprofesszora, itt kezdett mezonelmélettel és a kvantum-elektrodinamika kérdéseivel foglalkozni. 1943-ban tette közzé a kvantummechanikai folyamatok időbeli leírásának ún. kölcsönhatási képét, de csak 1947-ben, a háború után ismerték meg Nyugaton. Richard P. Feynman és Julian S. Schwinger amerikai kutatók is ekkor közölték eredményeiket, amelyek nagyjából megegyeztek Tomonaga munkásságával, összhangba hozva a kvantum-elektrodinamikát a speciális relativitás elméletével. 1956-62 között a Tanárképző Egyetem elnöke volt, majd a Japán Tudományos Tanács elnökévé nevezték ki. Aktívan küzdött az atomfegyverek elterjedése ellen, s a nukleáris energia békés felhasználásáért. 1965-ben, Feynmannal és Schwingerrel megosztva fizikai Nobel-díjat kapott `kvantumelektrodinamikai munkásságáért`. A japán fővárosban halt meg 1979. július 8-án.