Affecté à l'État-major de la marine impériale japonaise comme chef de la section des opérations en , Tomioka continue de servir à ce poste durant les deux premières années de la guerre du Pacifique, période durant laquelle il s'oppose sans succès à l'attaque sur Pearl Harbor. Il est également un fervent adversaire des plans de l'amiral Isoroku Yamamoto pour l'opération de Midway, proposant que le Japon se concentre plutôt sur les groupes d'îles stratégiques des Fidji et des Samoas. Il appelle aussi à l'occupation de Port Moresby en Nouvelle-Guinée, première étape d'une invasion de l'Australie, et faire ainsi sortir les porte-avions américains le plus loin possible de leurs bases. Il est démis de ses fonctions quand Yamamoto menace de démissionner.