Kimura sinh ngày 13 tháng 11 năm 1924 tại Okazaki, là con trai đầu lòng của một doanh nhân. Cha của Kimura rất thích hoa và cây cảnh, đồng thời giáo viên trung học của Kimura cũng động viên, nên Kimura có xu hướng thích thực vật học. Tuy nhiên, Kimura cũng rất hứng thú với toán học, nhưng trong quá trình học tập ở phổ thông lại không thấy mối liên hệ nào giữa hai môn mà mình yêu thích.
Năm 1942, Kimura vào trường trung học quốc gia ở Nagoya. Ở đây, được làm quen với môn sinh trắc học do M. Kumazawa giảng dạy, nên Kimura nhận ra rằng hai "tình yêu" của mình có thể hợp làm một trong lĩnh vực sinh trắc học này.
Do chiến tranh thế giới thứ hai, nên thời gian học bậc trung học ở Nhật Bản phải rút ngắn, Kimura vào Đại học Hoàng gia Kyoto từ năm 1944, là sinh viên thực vật học thuộc khoa Khoa học tự nhiên, nhưng Kimura lại chịu ảnh hưởng lớn của Hitoshi Kihara vốn một là nhà di truyền học ở khoa Nông nghiệp.[3]
Vào cuối năm học đầu tiên tại Kyoto, sau hai quả bom nguyên tử thả xuống Hiroshima và Nagasaki (1945), Nhật Bản đã đầu hàng. Tuy chiến tranh đã kết thúc, nhưng tình trạng thiếu đói lại gay gắt hơn, nhất là đối với học sinh xa nhà. May thay, Kimura có một người anh em họ ở Kyoto đã trợ giúp ít nhiều. Người này là Matsuhei Tamura, sau trở thành là phó giáo sư của Hideki Yukawa, nhà vật lý lý thuyết.
Sau tốt nghiệp đại học, Kimura làm việc ở phòng thí nghiệm của Kihara thuộc Kyoto, trong đó có nghiên cứu về di truyền học, sinh học phát triển và di truyền quần thể.
Trong quá trình Kimura làm việc ở phòng thí nghiệm của Kihara thuộc Kyoto, nhận ra tài năng của Kimura, nên Kihara không giao cho anh nhiệm vụ cụ thể nào, mà để tự do nghiên cứu. Trong thời gian này, Kimura say sưa các tác phẩm về di truyền học, toán học và tiến hoá luận của Sewall Wright, John B. S. Haldane và Ronald Aylmer Fisher. Anh cũng quan tâm đến các tác phẩm di truyền học hiện đại đương thời của Conrad H. Waddington và Theodosius Dobzhansky.
Khi Viện Di truyền học Quốc gia được thành lập vào năm 1949 tại Mishima, thì Kihara giới thiệu Kimura làm cộng tác viên nghiên cứu ở đó. Từ đây, Kimura gắn bó với viện cho đến hết đời.
Ông kết hôn với Hiroko Kimura và họ có một con là Akio. Vào lúc hơn 60 tuổi ông bị bệnh xơ cứng và teo cơ. Vào đúng dịp kỉ niệm ngày sinh thứ 70 của mình, ông tình cờ ngã rồi mất do xuất huyết não.[4], [5]
