ダッシュを生かした捲りの実力は知られていたが、近年選手の間で大ギアが流行したあたりから大ギア捲りという戦法に活路を見いだし、トップクラス選手の先行をも捲り切る威力を発揮するようになった。
山梨県甲府盆地の北東で、大菩薩峠の登山口の七里村（旧塩山町、現甲州市）出身。戦国時代、甲斐・武田家に仕えた譜代家老・土屋昌続（昌次）の子孫といわれる（1969年公開、稲垣浩監督作品『風林火山』では、その土屋昌次当人を演じている）。医学生時代、半田市の中島飛行機工場で東南海地震で被災した。1950年、俳優座養成所に2期生として入り、1952年に映画デビュー。その後、俳優座のトイレで映画『七人の侍』のオーディションのために来ていた黒澤明監督に、土屋自身はオーディションに参加していなかったにもかかわらず着目された。養成所卒業式の当日には黒澤に呼ばれてテストを受け、『七人の侍』の利吉役に起用されるが、撮影中に火の粉を吸い込んで肺に火傷を負う。また、『七人の侍』撮影中は黒澤の家に下宿し、それ以降も公私共に交流を深め、『赤ひげ』までの黒澤作品のほとんどに出演している。1953年には俳優座に劇団員として入団するものの、この『七人の侍』が契機となって1954年に退座し、東宝と専属契約を結んで映画界に転身した。東宝特撮映画にも欠かせない存在で、『七人の侍』と同時期に撮影所では『ゴジラ』の撮影が行われていたが、土屋はそれに興味を持ち、黒澤の目を盗んでは本多猪四郎や円谷英二監督のいる特撮セットの見学に行くため、円谷組のスタッフの協力を得てトイレに行くと口実を作っては頻繁に通い（後に『ウルトラセブン』でゲスト出演した際も、特撮セットを熱心に見学していた）、この熱意に円谷は土屋の見学に合わせて本番を待ってくれるほどの仲だったという。そのため、東宝の俳優陣では唯一、黒澤組と本多組（円谷組）を多く行き来していた俳優でもある。初めての特撮への出演は1954年の『透明人間』で、ゴジラシリーズは1955年の『ゴジラの逆襲』であるが、どちらも土屋にとっては印象が薄い作品であるという。というのも、土屋は一癖も二癖もある人物を演じるのが好みで、東宝時代はスマートな役柄が来ると会社に直訴して断っていたほどである。1957年の『地球防衛軍』では、当初顔出しの主役級で配役されていたが、敵側の宇宙人の方が面白いと考え、「顔が見えなくてもいいから宇宙人をやりたい」と演技課に要望するも「顔が見えないからダメ」と止められ、「俳優は顔が見えればいいってもんじゃないんだ！」と抗議した後に本多へ直訴し（本多は土屋の言動に、いたく感激していたという）、地球を侵略する宇宙人・ミステリアン統領役に回った（この時、土屋が断った役は佐原健二が演じている）。この際、前もって黒澤に「今度宇宙人を演りたいんだけど」とうかがいを立てたところ、「おかしな映画に出るんじゃないぞ。たとえばゴジラとかな。」と釘を刺していた黒澤も「イノさん（本多監督）とこの仕事ならいいよ」と答えたそうである。日本人俳優として初めて宇宙人を演じた土屋はこのミステリアン役やのちのX星人役において独自に「宇宙語」を考案し、これに自動翻訳された片言の日本語の台詞を被せるというアイディアを出すことで、劇中のリアリティを高めた。なお、その後日談として、某テレビ局から「『ワレワレは宇宙人ダ』という宇宙人のしゃべり方を最初に発明したのは土屋さんですか？」という問い合わせの電話に土屋が「そうです」と答えたことから、彼がこのフレーズの考案者ということになっている。また、X星人の言葉は芥川龍之介の『河童』に出てくる河童語をもじったものを混ぜ、ミステリアンはこれにドイツ語とフランス語をさらに混ぜたものであるとも語っている。他に特撮作品では『怪獣大戦争』のX星人統制官、『ガス人間第一号』のガス人間・水野役で知られる。『ゴジラvsキングギドラ』では、シリーズ初のゴジラと交流のある役（本人談）を演じている。また、岡豊、熊谷二良、渋谷英男らと並び、変身人間シリーズ全作出演者でもある。これらSF特撮映画への出演から、日本国外にもファンが多い。アメリカでの講演ではファンたちがX星人統制官の手真似や、ガス人間での右手を懐に入れる仕草で出迎えたり、ホテルのボーイが「ガス人間水野！」と声をかけてきたという。イタリアでは、タクシーの運転手が運転中に『マタンゴ』の話題を出してきたと語っている。UFOにも興味が強く、「日本宇宙旅行協会」という団体があったので、田中友幸や藤本真澄、本多、円谷といった面々を（事後承諾で）道連れに入会していた。昭和30年代中頃に銀座の百貨店ビル屋上で行われた、この協会主催のUFO召喚の集いに参加したこともある。この集いには、三島由紀夫や石原慎太郎らの姿もあったという。東宝退社後は主にテレビドラマで活躍した。趣味は登山、フラメンコギター、釣り、モトクロスなど多岐に渡り、サンテレビ制作の釣り番組『ビッグフィッシング』では司会を務めた。また、かつては黒柳徹子のトーク番組『徹子の部屋』の常連ゲストでもあった。上岡龍太郎とも親交が深く、彼がよく珍エピソードを紹介していた。フラメンコギターにまつわるエピソードでは、スペインに単独で旅行した際、とある小村にてギターの調べに吸い寄せられて訪れた宴たけなわの民家で、演奏に参加して歓迎されるまま数日間投宿したが、あとで人に聞いたところ、その家は盗賊の一族だったという。海外旅行の経験を豊富に持つうえに語学にも堪能で、日仏合作テレビドラマ『スパイ』（1966年）に出演した際には、フランス側の監督から「本当のフランス人のよう」と絶賛された。2017年2月8日に肺癌で死去。その死が報じられたのは、約7か月後の9月6日だった。