1939 年福井県生まれ。福井大学工学部卒業。ポーラ化粧品本舗退社後、フリーランスに。
1971─ 96年、東京綜合写真専門学校教職。2000 ─ 13年、大阪芸術大学教授。1975 年頃から約50 年間撮影を続ける被爆地ヒロシマのほか、高度経済成長やバブル経済、祭礼や土俗文化などのテーマによって、変貌する日本の姿を表現してきた。代表作に「自閉空間」（’71 太陽賞）「ヒロシマ 1945 ─ 1978」（’78 伊奈信男賞）「ヒロシマ」（’84 日本写真家協会賞）「土田ヒロミのニッポン」（’08 土門拳賞）。写真集に『俗神』（’76）『砂を数える』（’90）『BERLIN』（’11）『フクシマ』（’18）『Aging』（’22）など。
長期継続ドキュメントとして「フクシマ」(2011─ )の他、広島を相対化するため1999年からベルリン、2005年からエルサレムの取材。セルフポートレイトを1986年から現在まで毎日一枚撮影を続ける「Aging 」は、継続と反復、視覚認知の変化追従不能性を示す試みから「時間／メメント・モリ」というテーマに発展している。
作品はニューヨーク近代美術館、ポンピドゥ・センター、カナダ国立美術館、テート・モダン、東京都写真美術館、東京国立近代美術館他国内外の美術館に所蔵されている。