Esordisce nella Classe 125 del motomondiale nel 2006, disputando il Gran Premio del Giappone come wild card; sempre da wildcard corre il Gran Premio casalingo nel 2007, con una Honda 125, e nel 2008 in sella a una Honda 250, gara quest'ultima in cui ottiene due punti iridati che gli permettono di raggiungere a fine campionato la ventiseiesima posizione della classifica. In questi anni ha partecipato anche ai campionati giapponesi 125 e 250, ottenendo come miglior risultato il 2º posto in 125 nel 2006 e in 250 nel 2008. Nel 2009 diventa pilota titolare nel team CIP Moto - GP 250, terminando 17° con 32 punti e ottenendo come miglior risultato due decimi posti (Giappone e Comunità Valenciana). In questa stagione è costretto a saltare il GP di Indianapolis per infortunio. Nel 2010 viene confermato nel team Technomag-CIP alla guida della Suter MMX nella classe Moto2 (sostitutiva della 250), con compagno di squadra Dominique Aegerter. Entra nella storia della classe vincendo la prima gara in Qatar, ottiene anche pole position e secondo posto in Spagna ed un'altra pole position in Repubblica Ceca.Tomizawa muore a causa di un grave incidente avvenuto durante il Gran Premio motociclistico di San Marino e della Riviera di Rimini disputatosi presso il circuito di Misano il 5 settembre 2010: al dodicesimo giro, presso il Curvone, in un tratto del circuito in piena accelerazione, il pilota cade dopo aver perso aderenza al posteriore, venendo investito dai piloti che immediatamente lo seguivano, Alex De Angelis e Scott Redding.Le condizioni del pilota giapponese sono apparse subito disperate. Nonostante i tentativi di rianimazione a bordo pista e il trasferimento presso il centro medico del circuito prima e l'ospedale di Riccione poi, il pilota è deceduto alle 14:19 a seguito delle lesioni riportate; la Dorna l'ha ufficialmente reso noto al termine della gara della MotoGP. A seguito dell'accaduto sono divampate violente polemiche sull'opportunità o meno di sospendere la gara della Moto2, esponendo la bandiera rossa, ed annullare la successiva gara della MotoGP, disputatasi invece regolarmente. In seguito la Procura della Repubblica di Rimini ha aperto un'inchiesta per accertare eventuali responsabilità dei soccorritori a bordo pista; la perizia necroscopica ha inoltre dimostrato che il pilota è deceduto in ambulanza durante il trasporto d'urgenza in ospedale a causa di un grave trauma toracico, nonostante ufficialmente sia stato annunciato che Tomizawa fosse morto in ospedale. Durante il Gran Premio del Giappone, presso il circuito di Motegi, la memoria di Tomizawa è stata onorata con una speciale cerimonia e il suo numero di corsa, il 48, è stato ritirato. Prima della morte ha totalizzato in stagione 82 punti.