原理的な部分まで立ち入ることによって計算手法やプログラムの開発を行いながら地球科学の第一線級の問題に取り組んできた。MgSiO3ポストペロブスカイト構造と物性の解明に関する研究は特にインパクトが大きい。研究対象は地球にとどまらず、テラパスカルを超える圧力領域まで計算範囲を拡張し、巨大惑星の内部構造に関する研究も行い、惑星科学との連携も進めた。土屋氏の革新的な研究成果は従来の高圧地球科学、グローバル地震学、地球化学などの固体地球科学における広範な分野に多大な影響を与えており、多方面の研究者との共同研究が展開されている。地球深部科学を国際的に牽引する力量あふれる研究者である。