Tomino va alors devenir un spécialiste du genre mecha, mais c’est surtout avec Mobile Suit Gundam (1979-1980) qu’il va révolutionner le genre. Tomino va être ainsi l’initiateur d’une nouvelle génération d’anime, les « mechas réalistes » et va connaître un fort engouement durant la première moitié des années 80. Gundam va propulser Tomino va alors donner de multiples suites à Gundam accompagnés de leurs produits dérivés. Ce succès va le propulser dans le cercle des plus grands réalisateurs de son temps.

Il réalisera plusieurs séries par la suite, toujours dans le même genre, comme Space Runaway Ideon (1981), Combat Mecha Xabungle (1982), Aura Battler Dunbine (1983),Heavy Metal L-Gaim (1984), avant de retourner à l’univers Gundam comme Mobile Suit Zeta Gundam (1985) et Mobile Suit Gundam ZZ (1986).
Il propulse également avec lui le studio Sunrise qui connait une popularité exponentielle et lui permet de se placer en studio spécialisé dans le genre mecha. C’est également Gundam qui va permettre à Tomino de passer à la réalisation de films en 1981 avec la première adaptation sur grand écran de la série.

À la fin des années 80, Tomino va cesser la réalisation de séries, mais sort tout de même deux films, Mobile Suit Gundam : Char contre-attaque (1988) et Mobile Suit Gundam F91. Il revient brièvement à la série avec Mobile Suit Victory Gundam (1993), mais il faut attendre 1998 avec Brain Powerd pour le voir retourner à la réalisation et sortir de l’univers Gundam. Après avoir laissé la main à d’autres réalisateur, Tomino revient en 1999 aux commandes de la réalisation d’un nouvel opus de la saga Gundam, Turn A Gundam, puis passe les années 2000 à réaliser des films dérivés de la saga.

Son travail a été récompensé en 2009 par un Léopard d’honneur au Festival international du film de Locarno et en 2017 par un Golden Award de Romics, une convention italienne consacrée à la bande dessinée et à l’animation.