幼い頃よりNHK東京放送児童劇団で子役として活躍しており、NHK総合テレビで放送されていた人形劇人形劇『ブーフーウー』のフー役を演じていたこともある。その後は国語の教師を目指すも、國學院大學在学中に出身中学で教育実習をした際に生徒に呼び捨てにされるなどのショックを受け教職を断念。声優の道に進んだ。 1967年に、藤子・F・不二雄・原作の『パーマン』で、主人公の須羽ミツ夫・パーマン1号を演じ、その後1980年、1983年と3度に渡りTVアニメ化しており、同役を全て三輪が演じている。なお、OPテーマ「きてよパーマン」も三輪が歌っている。1980年にも、藤子不二雄A『怪物くん(テレビ朝日版)』市川ヒロシ役、1985年『オバケのQ太郎(テレビ朝日版)』大原正太役を演じるなど、藤子作品のと縁が深い。 1969年には、手塚治虫・原案『ワンダー君の初夢旅行』のワンダー君役、1974年のTVアニメ『カリメ
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