慶長6年（1601年）、掛川から土佐に移封となり、浦戸城に入城する。大幅な加増があり、余所から入部してきた大名は、ただでさえ人手も足りなくなるので地元の元家臣を大量に雇用するのが常であったが、一領具足を中心とした旧長宗我部氏の家臣団は新領主に反発し、土佐国内で多くの紛争（旧主長宗我部盛親の復帰を求めるなど）を起こした。これに対して一豊は、新規召し抱えの家臣は上方で募るなど、重要な役職を主に外来の家臣で固めたが、有益な長宗我部旧臣は懐柔して登用した。当時はまだ土佐領内に不満分子が完全に排除されていなかった為、高知城の築城の際などには一豊と同装束六人衆を影武者として共に現地を視察したと言う。高知平野内の大高坂山に統治の中心拠点として高知城を築城し、城下町の整備を行った。領民に対して食中毒を気遣い、鰹を刺身で食べることを禁じたという話が伝わる。それに対し、領民が鰹の表面のみをあぶり、刺身ではないと言い繕って食すようになった。これが鰹のタタキの起源だとされている。慶長8年（1603年）、豊臣姓を下賜されて、従四位下・土佐守に叙任された。慶長10年（1605年）、高知城にて病死した。享年61。法名は大通院殿心峯宗伝大居士。墓所は高知県高知市天神町の日輪山真如寺の山内家墓所。京都市右京区花園妙心寺町の正法山妙心寺大通院。現在、高知城には（右上の写真にある）一豊が騎馬姿で槍を持った姿の銅像が建てられている。
「山内」の読みについて、多くの歴史参考書や辞典などでは「やまのうち」と訓むとされてきた。これは、土佐山内氏が祖先であるとする首藤山内氏が「やまのうち」と訓むことによる。現に首藤山内氏が苗字の元とした鎌倉・山内庄（神奈川県鎌倉市山ノ内）の地名は「やまのうち」と訓む。一方、一豊の山内氏は、既出の『寛政重修諸家譜』には「やまうち」と平仮名でルビがふられている。また、淀殿の侍女大蔵卿局による一豊宛の書簡には平仮名で「やまうちつしまどの」となっており、これらの点から最近では「やまうち」と訓むのが正しいと考えられている。「一豊」の読みについては、一般的には「かずとよ」と訓まれてきたが、一豊が偏諱を家臣に与えた際の訓みから「かつとよ」と考えられている。
大阪市難波生まれ。早くに父親を亡くし、育ったのは母方の祖父の家で、大阪・千日前一帯に多くの芝居小屋や映画館を有する大興行師の家だった。大阪府立八尾中学校（現・大阪府立八尾高等学校）を卒業し、第二早稲田高等学院（旧制早稲田大学の大学予科）に進むも中退。中退したのは1942年（昭和17年）とされる。既に徴兵年齢の20歳を超えており、徴兵を逃れるために1943年（昭和18年）4月に明治大学専門部文芸科本科に入学するも、終戦直前の1945年（昭和20年）5月に除名されている。この頃日本浪漫派の影響を受ける。学徒出陣で陸軍に入り、一兵卒として中国大陸を転戦し、1945年の終戦を迎える。南京で捕虜として過ごした後、1946年に復員し、保田與重郎に師事する。同年 邦光史郎とともに『文学地帯』を刊行。編集長を務める。『文学地帯』に、日本浪漫派の影響がみられる短編小説『天の宴』『問いし君はも』を寄稿。1947年に亀井勝一郎を頼って上京、東京都三鷹市に住み、太宰治・男女ノ川登三と共に「三鷹の三奇人」と呼ばれる。この頃、関西の出版社の社員として岡本太郎の前衛芸術運動「夜の会」に接近、多くの影響を受ける。1948年11月、亀井勝一郎から絶縁される。1949年、歌人前川佐美雄の妻の妹と結婚。1950年には神戸で放浪生活を送り、覚醒剤中毒で入院。さまざまな職を経て、1952年に再び上京、音楽を通じて知り合った新潮社の編集者・斎藤十一の紹介で新潮社の社外校正をしながら小説を書くが、没ばかりであった。その後、ドビュッシー「西風の見たもの」を聴いて着想・執筆した『喪神』が、斎藤十一の推薦で『新潮』1952年12月号の「同人雑誌推薦新人特集」に掲載され、1953年、第28回芥川賞を受賞。『喪神』はその年に大映で『魔剣』の題名で映画化される。その後は『柳生連也斎』など独特の時代小説を発表し1956年、『週刊新潮』創刊から『柳生武芸帳』を連載して人気を博した。主人公の集団性、禁欲的な剣豪でなく、本能のままに生きる剣豪というとらえ方、そして日本浪曼派の影響の濃い、剣の達人の持つ精神性の表現と、格調高い文体で高く評価されている。手相や観相学、麻雀にも造詣が深く、『五味手相教室』や『五味人相教室』『五味マージャン教室』などの著作を残した。また、色川武大に先んじて本格的な麻雀小説を書いた。カーマニアとしても知られていたが、1961年5月に飲酒運転で逮捕。1964年1月31日には、三重県鈴鹿市富田町の国道1号で雪駄履きのまま自家用車を猛スピードで運転中にトラックと正面衝突を起こし内臓破裂などで一時重体となった。1965年7月24日には、脇見運転とスピード違反により、名古屋市で60歳の女性とその孫の6歳の少年を死亡させる交通事故を起こして逮捕される。このとき、志賀直哉、川端康成、小林秀雄、井伏鱒二、井上靖、三島由紀夫、柴田錬三郎、水上勉、亀井勝一郎、保田與重郎が連署で執行猶予を乞う上申書を裁判所に提出し、1966年、五味は禁固1年6月、執行猶予5年の有罪判決を受けた。贖罪の心の沈潜した『自日没』（にちぼつより）などの作品が書かれた。五味は1952年（昭和27年）から東京都練馬区に住み、剣豪小説家として財をなしてからは大泉学園町に邸宅を構え、死去まで居住した。1980年（昭和55年）、肺癌のため死去。58歳没。墓は鎌倉市建長寺の回春院にある。入院した五味は、知人にレコードを聴ける小型のオーディオ装置を用意して欲しいと依頼し、病室に持ち込まれたオーディオ装置とヘッドフォンを使って、五味が最後に聴いたレコードは、ベートーヴェンのピアノソナタ第32番作品111だった。