1917年生於長野縣，畢業於日本中央大學法學系。在看過江戶川亂步所寫的隨筆「芭蕉一個人的問題」後深受感動，因而立志撰寫推理小說。

1949年，將自己的作品「『罪孽深重的死亡』之構圖」投稿至「寶石」雜誌所舉辦的百萬懸疑小說獎Ｃ級部門（短篇小說），獲得入圍優勝。

1958年第一部長篇小說「天狗面具」問世，而後又發表「天國太遠了」和被譽為名作的「危險的童話」。

1962年又以千草檢察官系列作品的第一作「影子的控訴」得到了「日本推理作家協會賞」。在那之後土屋先生繼續發表其系列作，如「血的組曲」「針的誘惑」「盲目的烏鴉」。

此系列作品最後以1989年的「不安的產聲」作結，同年獲選為文春週刊所推薦的十大懸疑小說作品中的第一位。

2001年，土屋先生得到第五回日本懸疑小說文學大獎的榮譽。

2002年，為表彰他在推理文學上的卓越成就和貢獻，獲頒「日本推理文學大賞」。

近期所發表的作品有「華麗的喪服」「聖惡女」等。

他的推理小說多以故鄉信州為舞台，雖然重視詭計與解謎，但文筆優美，並且極具文學性，作品量少而質精，被譽為「孤高寡作的解謎推理大師」。除了長篇之外，他也擅長短篇小說，饒富奇趣，包括《離婚學入門》、《穴之牙》、《九十九分的犯罪》等（皇冠將陸續出版）。

《人偶死去的夜晚》則是他在90歲高齡所完成的最後一部作品。

2011年因心臟衰竭過世，享年94歲。