Asignado al Estado Mayor de la Armada Imperial Japonesa como jefe de la Sección de Operaciones en octubre de 1940, Tomioka continuó sirviendo en esa capacidad durante los primeros dos años de la Guerra del Pacífico, durante el cual se opuso sin éxito al ataque a Pearl Harbor. También se opuso fuertemente a los planes del almirante Isoroku Yamamoto para la operación de Midway.
, proponiendo que Japón ocupara en su lugar los grupos de islas de Fiji y Samoa, mucho más importantes estratégicamente. Tomioka también presionó para centrarse en la ocupación de Port Moresby en Nueva Guinea, ya sea como un escenario para una invasión de Australia, o para sacar a la flota de portaaviones estadounidense lo más lejos posible de sus bases de origen. Fue rechazado cuando Yamamoto amenazó con renunciar.