Tomioka palveli Japanin laivaston pääesikunnassa operaatioosaston päälliköksi lokakuussa 1940. Hän toimi tässä tehtävässä Tyynenmeren sodan kahden ensimmäisen vuoden aikana, jolloin hän epäonnistuneesti vastusti Pearl Harborin hyökkäystä. Hän vastusti myös voimakkaasti amiraali Isoroku Yamamoton suunnitelmia Midwayn operaatiosta.
, ehdottaen, että Japani miehittää strategisesti tärkeämmät Fidžin ja Samoan saarisot sen sijaan. Tomioka painotti myös keskittymään Port Moresbyn miehittämiseen Uudessa-Guineassa, joko Australian hyökkäyksen aloittamiseen tai amerikkalaisen lentotukialuksen vetämiseen mahdollisimman kauas kotipaikoistaan. Hänet hylättiin, kun Yamamoto uhkasi erota.