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Le , il devient ministre de la Marine. Proche collaborateur du premier ministre Hideki Tōjō, il approuve les plans de l'attaque de Pearl Harbor et est ensuite associé à de nombreuses décisions stratégiques. En , devant les défaites japonaises, Tōjō obtient les renvois de Hajime Sugiyama et Osami Nagano, respectivement chefs État-major de l'Armée impériale japonaise et de la Marine impériale japonaise. Tōjō remplace lui-même Sugiyama, tandis que Shimada remplace Nagano, cumulant le poste de chef État-major avec son ministère de la Marine, ce qui fait de lui l'unique chef des forces navales japonaises.
La défaite du Japon dans la bataille de Saipan lui vaut cependant la disgrâce et, le , alors que le premier ministre Tōjō est contraint de démissionner, il est remplacé à son ministère par l'ancien premier ministre Mitsumasa Yonai. Le , il perd également son poste à l'État-major.
Arrêté après la guerre par les autorités d'occupation alliées, il est inculpé de crimes de guerre et condamné à la prison à vie par le tribunal militaire international pour l'Extrême-Orient. Après la fin de l'occupation, le gouvernement de Ichirō Hatoyama lui accorde une libération sur parole.