Peter Tatsuo Doi fikk sin presteutdannelse i Sendai og Roma. Han ble presteviet i 1921, og arbeidet deretter som sjelesørger i bispedømmet Sendai. Fra 1934 til 1937 var han sekretær ved Vatikanets apostoliske delegasjon i Japan.
I 1937 ble han utnevnt av pave Pius XI til erkebiskop av Tokyo. I 1960 ble han kreert til kardinal av pave Johannes XXIII. Kardinal Peter Tatsuo Doi deltok under Annet Vatikankonsil og var med på pavevalget i 1963.