D’origine lesbosienne, il se nommait Tyrtamos. Il partit étudier, jeune, la philosophie à Athènes. Il fut l’élève de Platon, puis d’Aristote, qui le surnommait Θεόφραστος : « divin parleur ». Aristote en fit également son successeur à la tête du Lycée. À ce poste, il eut, selon la tradition, plus de deux mille élèves, dont le poète Ménandre.
Sa spécialité était l'étude des sciences naturelles, et plus particulièrement de la botanique, sujet de deux de ses ouvrages: Histoire des plantes, Περὶ Φυτῶν Ιστορίας, et Causes des plantes, Περὶ Φυτῶν Αἰτιῶν. Théophraste est à l’origine de la différenciation théorique entre le règne animal et le règne végétal, distinction qui permit la naissance d’une véritable nouvelle discipline : la botanique.
Son Histoire des plantes, ou Recherches sur les plantes, (Historia plantarum) traite de la morphologie et de la classification des végétaux. Une part importante de son ouvrage est consacrée à un inventaire raisonné des plantes, et comprend des informations sur l'influence du milieu sur leur développement, sur leur mode de reproduction et sur leur utilité.
Les Causes des plantes, ou Les causes des phénomènes végétaux, (De causis plantarum) aborde les questions de la physiologie végétale, notamment la croissance et la reproduction, pour lesquelles Théophraste créa un vocabulaire spécifique qui décrivait les différentes parties d’une plante.
Dans ses écrits, il ajoute ses observations personnelles aux connaissances des auteurs plus anciens et contemporains. Théophraste évoque aussi des espèces lointaines qui ont été importées après les conquêtes d’Alexandre le Grand, ou qu’il a reçues d’Égypte. Il répertorie plus de cinq cent cinquante espèces, que l’on peut encore identifier, la plupart utiles à l’agriculture. Théophraste les classe en quatre groupes : les arbres : dendron, les arbustes : thamnos, les sous-arbrisseaux : phruganon, et les herbes : poa, c’est-à-dire les végétaux non-ligneux. Il était conscient de l’aspect arbitraire de ce système et convint qu’une plante pouvait appartenir à plusieurs groupes.
Théophraste rejeta avec vigueur les correspondances entre plantes et animaux qu'avait établies Aristote. Il se fonda sur le fait que les plantes ont une croissance indéterminée, pour établir leur singularité.
Il s'agit de "la première ébauche d'une démarche scientifique consacrée à l'étude des végétaux" (Ducourthial). Les trois piliers de sa démarche sont la description, la dénomination et la classification. L'importance qu'il accorde à l'observation directe, et à la description précise et rigoureuse, marque une rupture avec les auteurs qui, avant lui, avaient étudié les plantes. "Ni ouvrages de philosophie, ni ouvrages pratiques destinés aux agriculteurs ou aux médecins, les deux ouvrages de Théophraste consacrés exclusivement à l'étude des plantes pour elles-mêmes nous livrent les premiers éléments d'une démarche scientifique orientée vers la compréhension du monde végétal" (Ducourthial).
Au cours de l'antiquité gréco-latine, les travaux de Théophraste furent prolongés par ceux de Pline l'Ancien et de Dioscoride. Mais déjà après les conquêtes moyenne-orientales d'Alexandre le Grand, la pensée magique mésopotamienne et égyptienne avait commencé à contaminer la pensée hellène. Et, mettant un terme à cette période riche en observations, suivra, jusqu’à la Renaissance, la longue nuit du Moyen-Age, pendant laquelle les études botaniques ne seront plus que la reprise des travaux anciens, sans nouveauté.
Il fut également l’auteur d’un traité Sur les pierres : Περὶ Λίθων, et sur les Caractères : Ἠθικοὶ Χαρακτῆρες, dont s'inspira, plusieurs siècles plus tard, Jean de La Bruyère.
