Вакаяма родился 1 сентября 1929 года в районе Токио Факугава, Япония. Его отец Тохидзи Кацу играл и пел в традиционном японском театре Кабуки, как и его семья, полностью посвятившая жизнь кабуки. Вакаяма и его младший брат Синтаро Кацу исходно пошли по стопам семейной карьеры, однако он вскоре осознал, что его призвание лежит вне кабуки, и в возрасте 13 лет занялся дзюдо, добившись 4 дана.
В 1952 году, с частью актёрской труппы «Azuma Kabuki», Вакаяма поехал в США на 9 месяцев. Спустя два года, как только закончился контракт, он ушел из театра. Продолжая заниматься дзюдо, он приглянулся кинокомпании Тохо, предложившей ему играть мастера боевых искусств в фильмах дзидайгэки. Новая работа потребовала он Вакаямы новых знаний, и он начал изучать и другие виды боевых искусств: кэмпо, иайдо, кэндо и бодзюцу. Полученный опыт стал основой его актёрской деятельности, в телесериалах «Немой самурай» и «Сёкин Касэги», а также его наиболее известной роли Огами Итто в серии фильмов «Одинокий волк и его ребенок» («Меч отмщения»).
Томисабуро Вакаяма снялся во многих фильмах — по различным подсчётам от 250 до 500, включая несколько ролей в американском кино — тренера бейсбольной команды в фильме «Скандальные «медведи» едут в Японию» (1978) и якудзы в фильме Ридли Скотта «Черный дождь» (1989).
Вакаяма умер от острой сердечной недостаточности в 62-летнем возрасте 2 апреля 1992 года в больнице Киото. После него остался сын Киитиро Вакаяма (род. 1965), также актёр.