A kiotói egyetemen tanult, majd a Riken kutatóintézetben dolgozott Yoshio Nishina csoportjában. 1937-39 között Lipcsében dolgozott, Heisenberg mellett. Innen visszatért Japánba a világháború kitörése miatt. Doktori disszertációját Lipcsében végzett munkája alapján védte meg a kiotói egyetemen. 1941-ben a tokiói egyetem professzora lett. A háború alatt mikrohullámú rendszerek elméletével foglalkozott. 1949-ben Robert Oppenheimer meghívására a Princeton-i Institute for Advanced Study-ban töltött egy évet, majd visszatért Japánba. 1955-ben létrehozta a tokiói egyetem magfizikai intézetét. 1956-1962 között a tokiói egyetem elnöke volt. 1963-1969-ig Japán országos tudományos tanácsának elnöke és az egyetem optikai kutatóintézetének igazgatója volt. 1969-ben a tokiói egyetemtől a Professor Emeritus címet kapta. Az elméleti fizika számos területén ért el nagyon jelentős eredményeket. Ezek közül legfontosabb a relativisztikus kvantumelektrodinamika konzisztens elmélete, melynek kidolgozásáért 1965-ben Richard Feynmannal és Julian Schwingerrel megosztott fizikai Nobel-díjat kapott. Jelentősek a kollektív mozgások elméletében, a mezonelméletben és a magnetronok elméletében elért eredményei. Róla kapta nevét a "Tomonaga-Luttinger folyadék".