東京府立二中（現立川高校）を卒業後医学を志し、日本医科大学から東京帝国大学放射線研究室へと進み、1937年、日本政府の国費留学生としてドイツに渡り、ロベルト・コッホ研究所を経てベルリン大学医学部放射線研究室の客員研究員となる。実験と研究に打ち込み、1944年には同大医学部研究補助員として採用され、ベルリン大学医学部で東洋人として初の教授資格を取得。ベルリン陥落直前、日本大使館がバート・ガスタインに避難させた在留邦人のための帰国船の乗船リストに肥沼の名前もあったが、当日姿を現さず消息が途絶えた。