Hiromasa Yonebayashi est né dans la ville de Nonoichi dans la préfecture d'Ishikawa. Il effectue des études de design dans l'Université d'Art de Kanazawa puis rentre au studio Ghibli en 19962. Rentré comme intervalliste, il participe à la plupart des films de Hayao Miyazaki et devient animateur sur Le Voyage de Chihiro en 2001. Il prend son premier poste à responsabilité sur Les Contes de Terremer, sorti en 2006, où il est codirecteur d'animation. Il a participé également à certains courts métrages du studio comme Mei to Konekobasu (Mei et le chaton-bus, 2002) en tant qu'animateur et Kūsō no Sora Tobu Kikaitachi (Machines volantes imaginaires, 2002) en tant que directeur de l'animation. Il a réalisé en 2010 son premier long métrage pour le studio, Arrietty : le petit monde des Chapardeurs, qui sera suivi de deux autres longs Quand Marnie était là (2014) et Mary et la Fleur de la sorcière (2017).