もともとキックボクシングを趣味でやっていたが、22歳のときに友人の誘いで天笠尚の試合を観戦したのがきっかけとなり、2010年3月から天笠が所属する山上ボクシングスポーツジムに通いボクシングに転向。「そのリーチの長さとスタイルがあれば世界で通用するよ」と周囲の薦めもあり、さらに南海キャンディーズの「しずちゃん」こと山崎静代にも刺激され、ロンドンオリンピックを目指しオリンピックに2度出場した三浦国宏より指導を受けた。2010年10月、全日本女子選手権予選を兼ねた都大会に出場するが、1回戦後バンデージミスで失格となり敗退（試合自体もRSC負け）。2011年12月の全日本女子選手権予選は発熱のため欠場。ロンドンオリンピックへの道を絶たれ一度ボクシングを諦めたが、そこで会長からプロを勧められたため、目標をプロボクサーへ転換する。アマチュア時代の戦績は4戦4敗。
5歳から9年間水泳、小学校6年間はサッカーを行う。中学3年からはキックボクシングを始めるが、あくまで趣味のため試合経験はなかった。立志舎高等学校在学中に竹下通りでスカウトされ、グラビア活動を開始、同校卒業後にモデルデビューし、海外のファッションショーにも参加。当初はアベニューワン所属、芸名は高野ともみだった。2009年には「第4回アジアスーパーモデルコンテスト」に須川春輝（現：春輝、モデルガールズ）とともに日本代表として参加、6位入賞。2010年、オフィスコットンに移籍、芸名もTOMOMIに改名。同年からはアマチュアボクシングを始める。2011年6月、世界4大ミス・コンテストの一つである「ミス・アース」日本代表ファイナリスト23人の一人に選出。2012年9月、警察官の採用試験を受験するも不合格だった。2013年1月、日本ボクシングコミッション（JBC）C級ボクサーライセンスを取得。プロボクサーデビューを果たし、モデルと並行して試合に出場している。2013年5月、「ミス・ツーリズム・インターナショナル」日本代表として中国入りして、「ミスチャーム」を受賞。2014年3月、東京ガールズコレクションに出演。2014年8月4日、「週刊現代」袋とじでセミヌードグラビアを披露。2015年5月11日、元プロレスラー小橋建太とともに尚美学園大学総合政策学部ライフマネジメント学科の講師に就任し、6月より2016年3月まで月1回の割合で教壇に立つことが発表された。2016年3月27日、QVCマリンフィールドにて開催されたロッテvs日本ハム戦の始球式に登場。
軍服の服生地に原色が主に用いられていた時期には、上衣または上下の地色自体が兵科ごとに異なる場合と、生地色が軍種によって統一されている場合は、襟、肩章、袖口等に兵科色の布地が用いられている場合があった。かつては兵科の判別として重要視されていたため、徴兵検査で色覚異常が認められた者は免除となることが多かった。20世紀に入り、軍服特に陸軍のそれにおいて、カモフラージュ効果の高いカーキ色等の地色、さらに迷彩模様が主流になるとともに、兵科色が用いられる面積も小さくなり、襟章、制帽や肩章の縁取り等に限定的に用いられるようになった。全体としては時代が下るごとに用いられなくなり、バッジその他の記章に代えられる傾向にある。
東京大学総長や成城学園学園長を歴任した加藤一郎の娘として東京都に生まれた。母方の祖父は大蔵大臣や初代大東亜大臣を務めた青木一男、父方の祖父は北海道銀行頭取を務めた加藤守一。愛媛県知事を務めた青木重臣は大叔父。成城大学文芸学部国文科では中西進のゼミに学ぶ。1972年に大学を卒業後、日本放送協会にアナウンサーとして入局（同期に橋本大二郎）。スタジオ102・1億人の経済・ニュースセンター630のキャスター、NHKニュースワイド、国会中継、国会討論会・政治座談会などの番組制作を担当。1990年6月から1998年3月までNHK解説委員を務めた。1998年3月に日本放送協会を退職し、同年7月の第18回参議院議員通常選挙に民主党の比例区から立候補し初当選。1期務め、参議院環境委員長等を歴任した。2003年4月、参議院議員を辞職し、石井紘基死去に伴う衆議院補欠選挙に「石井の遺志を受け継ぐ」と述べ、東京6区から立候補し当選。同年11月の第43回衆議院議員総選挙でも小選挙区勝利で再選。直後の菅直人を首班とするネクストキャビネット法務大臣、2004年5月代表や首班が岡田克也となっても留任。2005年9月11日の第44回衆議院議員総選挙では、自民党新人の越智隆雄に小選挙区で敗れたが、比例東京ブロックで比例復活した。その後、衆議院青少年特別委員会委員長、党東京都総支部連合会副会長・会長代行（政策担当）を務めた。2007年4月の東京都知事選に候補者として一時名前が取りざたされたが、不出馬の意向を表明した。同年7月の第21回参議院議員通常選挙では、東京都選挙区での民主党公認の、大河原雅子の選挙対策本部長を務め、大河原はトップ当選した。2009年8月、第45回衆議院議員総選挙で、民主党公認（国民新党・NTT労働組合の推薦）を受け、小選挙区で越智を破り、4選。2010年6月7日、民主党財務委員長に就任。9月、菅第1次改造内閣で厚生労働副大臣に就任。2011年9月、野田内閣で第14代厚生労働大臣に就任。厚生労働省発足後、初の女性厚生労働大臣である（旧厚生省時代には、中山マサが厚生大臣を務めている）。また、民主党政権の国務大臣では、初の女性衆議院議員である。2012年4月、野田第1次改造内閣で内閣府特命担当大臣（少子化対策担当）を兼務。12月16日投開票の第46回衆議院議員総選挙では、小選挙区で越智と4度目の対決となるが敗北、比例東京ブロックでも復活当選できず落選した。2013年1月24日、自身のウェブサイトで政界からの引退を表明し、15年間の政治生活に幕を引いた。引退後は東京都世田谷区から長野県北佐久郡軽井沢町に引越し、小宮山洋子政策研究会代表を務める。2018年秋の叙勲で旭日重光章を受章。