Theroux wurde in Washington, D.C. geboren und wuchs dort auf. Seine Mutter Phyllis Grissim Theroux ist Autorin und Journalistin, sein Vater Eugene Albert Theroux ist Rechtsanwalt. Der Schriftsteller Paul Theroux ist sein Onkel; die Journalisten und Dokumentarfilmer Louis Theroux und Marcel Theroux sind seine Cousins.
Während seiner Schulzeit an der Buxton School in Williamstown begann Theroux mit der Schauspielerei. 1993 schloss er am Bennington College in Vermont ein Studium in bildender Kunst und Schauspiel ab. Anschließend zog er nach New York City, arbeitete zunächst als bildender Künstler und trat in Off-Broadway-Produktionen auf.
Von 2014 bis 2017 spielte Theroux in der HBO-Serie The Leftovers die Hauptrolle des Kevin Garvey. Weitere größere Fernsehrollen übernahm er in der Miniserie Maniac (2018) und von 2021 bis 2023 als Allie Fox in The Mosquito Coast, an der er auch als ausführender Produzent beteiligt war. In der fünfteiligen HBO-Miniserie White House Plumbers verkörperte er 2023 den Watergate-Akteur G. Gordon Liddy. 2024 spielte er Rory in Tim BurtonsBeetlejuice Beetlejuice. Seit 2025 gehört er als Cameron Gordon zur Besetzung der Netflix-Serie Running Point. In der zweiten Staffel von Fallout spielte er 2025 und 2026 Robert House. 2026 war er außerdem in Der Teufel trägt Prada 2 zu sehen.
Theroux war bis 2011 rund 14 Jahre lang mit der Kostümdesignerin Heidi Bivens liiert. Von August 2015 bis zu ihrer Ende 2017 erfolgten Trennung war er mit der Schauspielerin Jennifer Aniston verheiratet; das Paar gab die Trennung im Februar 2018 bekannt. Im März 2025 heiratete er die Schauspielerin Nicole Brydon Bloom in Mexiko. Im April 2026 wurde ihr gemeinsamer Sohn geboren.