Ученый-физик появился на свет 31 марта 1906 года в Токио, Япония, в качестве второго ребенка и старшего сына. Его отец был философом, который служил профессором в Университете Синсю в Токио во время его рождения. Семья переехала в Киото в 1913 году, где отец продолжил службу в университете Киото как профессор по дисциплине философия. Синъитиро вырос в Киото и в 1926 году поступил в старейший университет Японии. В 1929 году стал бакалавром по физике и в течение трех лет работал ассистентом. После этого в апреле 1932 года он присоединился к группе японского физика, доктора Ёсио Нисина, который был назван «отцом-основателем современных исследований в области физики в Японии», в крупном исследовательском институте. Там под руководством доктора Томонага начал работать над квантовой электродинамикой и закончил работу по созданию фотоэлектрических пар. Затем начал работать в университете города Лейпциг, Германия, и в 1937 году начал сотрудничать с исследовательской группой немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга, который был одним из пионеров квантовой механики.
В 1940 году он сосредоточился на теории мезонов и для анализа состава мезонного облака, существующего вокруг нуклона, разработал теорию промежуточной связи. В 1941 году стал профессором физики в Токийском университете Бунрика, а также проводил исследования для военно-морского флота. Во время войны физик изучал теорию мезонов, работал над теорией микроволновых цепей и волноводов, в частности над концепцией магнетронного генератора, который применяется для создания коротких радиоволн для радаров. В 1948 году Томонага и его ученики пересмотрели и проанализировали работу американского физика-теоретика Сидни Данкоффа. Упущение было исправлено, исследования Данкоффа дали конечные результаты. Именно так Томонага открыл метод перенормировки и затем разработал теорию КЭД. Приняв приглашение американского физика-теоретика Роберта Оппенгеймера, японский ученый отправился в Принстон, штат Нью-Джерси, в 1949 году, чтобы работать в Институте перспективных исследований. Там он изучил одномерную фермионную систему и с триумфом проанализировал природу коллективных колебаний квантово-механической системы многих тел. Элементарная гипотеза квантово-механических коллективных движений была опубликована им в 1955 г.
27 октября 1940 года физик женился на Риоко Секигучи. У пары было двое сыновей и дочь. Томонага заболел раком горла и скончался 8 июля 1979 года в Токио. Его останки были похоронены на кладбище Тама в Токио.