学部物理学科毕业。1972年获得博士学位（东京大学）。1988年，户冢担任教授。1995年担任东大神冈宇宙素粒子研究设施（超级神冈探测器所在地）所长。1997年担任东京大学宇宙线研究所长。1998年，户冢－梶田实验团队首次观察到中微子振盪并测定中微子的质量，从而修正物理学标准模型（以往的标准模型假设中微子质量为0），自此晋身「必将获得诺贝尔奖」的知名物理学家。小柴昌俊曾经说「在继承我衣钵的弟子当中，有2人足以获得诺贝尔奖」。一般认为他指的是户冢洋二与梶田隆章。2002年，瑞典皇家科学院宣佈小柴昌