Hiromasa Yonebayashi naît le 10 juillet 1973 à Nonoichi, dans la préfecture d'Ishikawa au Japon. Après des études de design commercial à l'école des beaux-arts de Kanazawa, il rejoint le Studio Ghibli en 1996 en tant qu'intervalliste sur Princesse Mononoke. Il gravit ensuite les échelons du studio comme animateur-clé sur des œuvres majeures telles que Le Voyage de Chihiro, Le Château ambulant ou Ponyo sur la falaise, avant de devenir directeur adjoint de l'animation sur Les Contes de Terremer. En 2010, le studio lui confie à trente-six ans la réalisation d'Arrietty, le petit monde des chapardeurs, faisant de lui le plus jeune réalisateur de l'histoire de Ghibli, puis celle de Souvenirs de Marnie en 2014, nommé à l'Oscar du meilleur film d'animation. Fin 2014, il quitte le Studio Ghibli après dix-huit années passées au sein de la maison de Miyazaki et fonde en 2015, avec le producteur Yoshiaki Nishimura, le Studio Ponoc. Il y réalise Mary et la fleur de la sorcière en 2017, puis participe à l'anthologie Héros modestes en 2018, tout en continuant de collaborer ponctuellement avec ses anciens collègues de Ghibli.
Sa formation auprès de Hayao Miyazaki, dont il anime certaines des séquences les plus mémorables de Ponyo, marque profondément sa sensibilité visuelle et narrative. L'adaptation de romans jeunesse occidentaux, comme Les Chapardeurs de Mary Norton ou When Marnie Was There de Joan G. Robinson, nourrit son goût pour les récits d'enfance empreints de mélancolie et de merveilleux. La tradition de l'animation dessinée à la main, défendue par le Studio Ghibli puis par Ponoc, demeure au cœur de sa démarche artistique.
Yonebayashi privilégie une animation en deux dimensions dessinée à la main, riche en détails et en nuances émotionnelles portées par de petits gestes plutôt que par de grands effets spectaculaires. Ses films s'attachent à des protagonistes souvent jeunes et vulnérables, confrontés à la solitude ou à un monde qui les dépasse, qu'ils apprennent à apprivoiser par l'amitié ou la magie. Cette délicatesse dans la mise en scène, héritée directement de son passage chez Ghibli, reste la marque de fabrique de son cinéma, aussi bien chez Ghibli qu'au sein de Studio Ponoc.
Souvenirs de Marnie lui vaut en 2015 une nomination à l'Oscar du meilleur film d'animation, une reconnaissance rare pour un film japonais. Il demeure à ce jour le plus jeune réalisateur à avoir dirigé un long métrage pour le Studio Ghibli, une distinction que soulignent régulièrement historiens et critiques du studio.
Le producteur Yoshiaki Nishimura l'accompagne depuis ses débuts chez Ghibli jusqu'à la fondation commune de Studio Ponoc, dont il reste le partenaire créatif privilégié. La scénariste Riko Sakaguchi collabore avec lui sur plusieurs projets de Ponoc, tandis que Hayao Miyazaki avait personnellement signé le scénario de son tout premier long métrage, Arrietty.
L'enfance solitaire et la difficulté à trouver sa place dans un monde d'adultes reviennent systématiquement dans ses films, souvent résolues par une amitié inattendue ou une expérience magique. L'harmonie avec la nature, et à l'inverse les dangers d'une science ou d'une ambition humaine incontrôlée, structurent également plusieurs de ses récits, notamment Mary et la fleur de la sorcière.