Родился в деревне Сибаяма, округ Самбу, префектура Тиба. Изучал медицину в Императорском университете Киото. В 1922 г. получил назначение в 1-ый армейский госпиталь и медицинскую школу в Токио. Два года спустя перешёл обратно в университет Киото. В 1928-1930 гг. осуществил исследовательскую поездку в западные страны, где занимался изучением эффектов биологического и химического оружия. Миссия Сиро было признана чрезвычайно успешной, и вскоре он попал под патронаж военного министра Садао Араки.
В 1932 г. Сиро начал эксперименты с биологическим оружием в виде секретного проекта японской армии в крепости Жонгма. В 1936 г. близ Харбина был развёрнут лагерь Отряда 731. Исследования были засекречены, и для отвода глаз отряд занимался изысканиями в области обеззараживания воды. 9 февраля 1939 г. в Токио Сиро прочитал лекцию о бактериологическом оружии в большом конференц-зале военного министерства. Также перед зрителями была произведена вивисекция.
С 1940 г. Сиро был назначен начальником управления биологического оружия Квантунской армии, также работал в бактериологическом департаменте Военно-медицинской академии. В 1942 г. начались испытания бактериологического оружия, для которых использовались китайские военнопленные и мирные жители. Параллельно отрядом 731 производились опыты по заражению людей с помощью различных микроорганизмов, провоцировались аборты, сердечные приступы, обморожения. В 1942-1945 гг. Сиро был главным военным врачом 1-ой японской армии.
В конце Второй мировой войны был арестован американцами, однако в 1946 г. получил иммунитет в обмен на данные об исследованиях биологического оружия, основанных на экспериментах над людьми. В итоге Сиро так и не понёс наказания за военные преступления. Согласно высказываниям его дочери Харуми, Сиро умер в Японии от рака горла. По другим сведениям, он переехал в Мэриленд, где продолжил свои исследования.