生于大日本帝国东京府（现东京都）。1966年横滨国立大学工学部毕业，1967年攻读博士学位期间与导师本多健一共同发现二氧化钛电极表面的水分子在紫外光照射下发生分解的现象（即水的光解现象），这一现象后来被称作「」。。藤嶋在1971年获得工学博士学位（东京大学），担任神奈川大学工学部讲师。1975年转至东大工学部应用化学系担任讲师。翌年前往美国德克萨斯大学奥斯汀分校进行博士后研究。1978年晋升为东京大学副教授，1986年升为教授。2003年退休成为东京大学名誉教授。2006年-2007年担任日本化学会会长