Nace en Kioto el 6 de marzo de 1932, haciéndose pronto cargo de sus hermanos Kenji y Toyoharu (conocido posteriormente como Kuri Ippei) debido al fallecimiento de su madre y a la ausencia de su padre, debutando profesionalmente en periódicos locales.
Marcha a Tokio en 1954, debutando en el cómic con "Iron Arm Rikiya" al año siguiente con un guión de Kajiwara Ikki. Tras fundar Tatsunoko Productions en 1962 junto a sus hermanos, Tatsuo trabaja como técnico de efectos visuales en varios programas de TV, obteniendo un gran éxito con "Boy Ninja Unit Moonlight" (1964) basado en su propio manga de 1963. Otros mangas de éxito serán “Pilot Ace” (1960), “Mach Sanshiro” (1960), “Hayabusa Q” (1961), “Speed Bun-Chan” (1962), "Harris Stepless" (1965) y "Space Ace" (1965), pero sobre todo “Mach Go Go Go”, estrenada en 1967 y conocida internacionalmente como Speed Racer (y en España como Meteoro), que le reportarán reconocimiento mundial hasta la actualidad, con periódicas revisiones y adaptaciones sobre todo de origen estadounidense. Con otros mangas en su haber (“Judo Boy”, 1969; “Hakushon Daimaou”, 1969; “Shinzo Ningen Casshan”, 1973; “Time Bokan”, 1974; “Yattaman”, 1977), obtendrá de nuevo un éxito mundial con la serie de 1972 “Kagaku Ninja Tai Gatchaman”, traducida internacionalmente como Battle of the Planets y en España como Comando G.
El 5 de septiembre de 1977 fallece en Tokio de un cáncer de hígado.