1942년 시즈오카 현 후지시에서 출생하였다. 1965년 도쿄대학 물리학과를 졸업하고, 1972년 같은 대학 대학원 이학계 연구과 박사과정을 수료(이학박사)한 뒤, 독일로 건너가 DESY 프로젝트에 참여했다. 귀국 후 도쿄대 이학부 교수를 거쳐, 1988년에는 같은 대학 우주선연구소 교수로 부임, 2002년 노벨물리학상을 수상한 고시바 마사토시의 애제자 중 한 사람으로 고시마 교수가 주도하는 카미오칸데 소립자 관측실험에 줄곧 참여했다. 1995년 카미오카 우주소립자연구시설의 책임자가 되었으며, 1997년부터 도쿄대 우주선연구소 소장으로 일했다.
1998년 슈퍼카미오칸데 실험에서 뉴트리노 진동을 확인하고, 뉴트리노의 질량이 0이라는 기존의 가설을 뒤집어 소립자 연구의 신기원을 마련, 해마다 노벨물리학상 후보로 유력시되어 왔다. 2002년에는 고에너지가속기 공동연구기구 교수로, 다음 해부터는 이 기구의 장으로 일해 왔으나, 대장암이 악화되어 암 투병을 지속해 오다가 2008년 7월 10일 숨졌다.

죽음을 눈앞에 둔 2007년 8월부터 자신의 블로그에 젊은 세대들을 위한 '과학입문시리즈'를 쓰기 시작, 그 글들을 중심으로 엮어낸 『과학의 척도』(원서명 : "도쓰카 교수의 과학입문")는 『암과 투쟁한 과학의 기록』과 더불어 그의 유고작이 되었다.
1989년 미국 천문학회가 주는 브루노 로시상을 시작으로, 유럽 물리학회 특별상(1995) 등 명성 있는 과학상을 차례로 수상하였고, 2004년에는 일본 정부가 주는 문화훈장을, 2007년에는 과학·기술 분야에 주어지는 가장 오래된 상 가운데 하나인 벤자민 프랭클린상을 수상하였다. 저서로 『소립자 물리』, 『깊은 땅 속에서 우주를 탐색하다』, 『이와나미 강좌 현대의 물리학』 제10권, 『양성자는 깨지는가』 등이 있다.