Karl Theodor Billroth (1800–1834) lelkipásztor és neje, Christina Nagel (1808–1851) gyermeke. Nagyapja, Johann Christian BillrothGreifswald polgármestere volt. Thoedor Billroth Greifswaldban folytatta tanulmányait, majd 1853-tól 1860-ig Charitében dolgozott [forrás?]. Carl von Langenbuch tanonca volt és Bécsben gyakorolta a sebészetet az Allgemeine Krankenhausban (bécsi főkórház) fősebészként.[forrás?] 1859-től a zürichi, 1867-től a Bécsi Egyetem tanára volt. Kiváló sebészeti munkássága mellett Theodor Billroth szenvedélyes zenész, igazi hegedűvirtuóz volt. Johannes Brahms közeli barátja volt. (Levelezésük 1935-ben jelent meg.
A leghíresebb eredménye a tudománytörténet első sikeres gyomorcsonkolása (gasztrektómia) volt, amelyet 1881-ben hajtott végre, a gyomor rákos daganata miatt. (A nehézségeket jellemzi, hogy egyes beszámolók szerint Billrothot majdnem halálra kövezték Bécs utcáin, miután az első betege meghalt a gyomorcsonkolásos a műtét után.
Billroth vezette be a kombinált éter - kloroform altatást.
Márvány mellszobra a Langenbeck-Virchow-Hausban (Caspar von Zumbusch alkotása, 1892)
Művei (válogatás)
Magyarul megjelent művei
Az általános sebészeti kór- és gyógytan 50 előadásban (1866)
A betegápolás otthon és a kórházban (1882)
Egyéb művei
De natura et causa pulmonum affectionis quae nervo utroque vago dissecto exoritur. Dissertation, Universität Berlin 1852
Historische und kritische Studien über den Transport der im Felde Verwundeten und Kranken auf Eisenbahnen. Wien, 1874.
Die Krankenpflege im Hause und im Hospitale. Ein Handbuch für Familien und Krankenpflegerinnen. Wien 1881.
Über das Lehren und Lernen der medizinischen Wissenschaften an den Universitäten der deutschen Nation, nebst allgemeinen Bemerkungen über Universitäten. Wien 1876
Untersuchungen über die Entwicklung der Blutgefässe, nebst Beobachtungen aus der königlichen chirurgischen Universitäts-Klinik zu Berlin. Habilitation, Universität Berlin 1856
Wer ist musikalisch? Wagner, Hamburg 1985, ISBN3-88979-000-3 (Repr. d. Ausg. Berlin 1896)
Helmut Wyklicky: Unbekanntes von Theodor Billroth. Eine Dokumentation in Fragmenten, Österreichische Akademie der Wissenschaften Wien 1993, ISBN3-7001-2073-7
Felicitas Seebacher: „Der operierte Chirurg“. Theodor Billroths Deutschnationalismus und akademischer Antisemitismus. Zeitschrift für Geschichtswissenschaft 54, 4 (2006) 317–338.
Felicitas Seebacher: „Das Fremde im ´deutschen` Tempel der Wissenschaften“. Brüche in der Wissenschaftskultur der Medizinischen Fakultät der Universität Wien (= Österreichische Akademie der Wissenschaften, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse. Veröffentlichungen der Kommission für Geschichte der Naturwissenschaften, Mathematik und Medizin 65, Wien 2011).