Sturgeon werd in 1918 geboren als Edward Hamilton Waldo in Staten Island, New York City. Zijn naam werd wettelijk veranderd op elfjarige leeftijd na de scheiding en het hertrouwen van zijn moeder met William Dicky ("Argylle") Sturgeon. "Theodore Sturgeon" wordt soms verkeerd geïdentificeerd als een pseudoniem; het was in feite zijn wettelijke naam.
Hij verkocht zijn eerste verhaal in 1938 aan het McClure Syndicate, dat veel van zijn vroege (niet-fantastische) werk kocht; zijn eerste genreverschijning was "Ether Breather" in Astounding Science Fiction een jaar later. Aanvankelijk schreef hij vooral korte verhalen, voornamelijk voor genretijdschriften als Astounding en Unknown, maar ook voor algemene publicaties als Argosy Magazine. Hij gebruikte het pseudoniem "E. Waldo Hunter" toen twee van zijn verhalen in hetzelfde nummer van Astounding verschenen. Een paar van zijn vroege verhalen waren getekend "Theodore H. Sturgeon."
Sturgeon schreef als ghostwriter een Ellery Queen mysterieroman, The Player on the Other Side (Random House, 1963). Deze roman kreeg lovende kritieken van criticus H.R.F. Keating, die "bijna klaar was met het schrijven van Crime and Mystery: the 100 Best Books, waarin ik The Player on the Other Side had opgenomen ... en die het boek volledig in de canon van Queen plaatste" toen hij vernam dat het door Sturgeon was geschreven. Ook William DeAndrea, auteur en winnaar van Mystery Writers of America, die voor het tijdschrift Armchair Detective zijn tien favoriete mysterieromans selecteerde, koos The Player on the Other Side als één daarvan. Hij zei: 'Dit boek veranderde mijn leven ... en maakte een razende mystery fan (en dus uiteindelijk een mystery schrijver) van mij. ... Het boek moet 'een van de meest kundige pastiches in de geschiedenis van de literatuur' zijn. Een geweldig stuk werk, wie het ook gedaan heeft."
Sturgeon schreef de scenario's voor de Star Trek afleveringen "Shore Leave" (1966) en "Amok Time" (1967, later gepubliceerd als "Fotonovel" in 1978). Deze laatste staat bekend om zijn uitvinding van de pon farr, het Vulcan paringsritueel, het eerste gebruik van de zin "Live long and prosper" en het eerste gebruik van het Vulcan handsymbool. Sturgeon schreef ook verschillende afleveringen van Star Trek die nooit werden geproduceerd. Een daarvan was opmerkelijk omdat hij als eerste de Prime Directive introduceerde. Hij schreef ook een aflevering van de zaterdagochtendshow Land of the Lost, "The Pylon Express", in 1975. Twee van Sturgeon's verhalen werden bewerkt voor The New Twilight Zone. Een daarvan, "A Saucer of Loneliness", werd in 1986 uitgezonden en aan zijn nagedachtenis opgedragen. Een ander kort verhaal, "Yesterday was Monday", was de inspiratie voor The New Twilight Zone aflevering A Matter of Minutes. Zijn novelle "Killdozer!" uit 1944 was de inspiratie voor de gelijknamige film uit de jaren 1970, Marvel-strip en alternatieve rockband.
Hoewel Sturgeon bekend is bij lezers van klassieke science-fiction bloemlezingen (op het hoogtepunt van zijn populariteit in de jaren 1950 was hij de meest opgenomen auteur[] ) en zeer gerespecteerd door critici (John Clute schrijft in The Encyclopedia of Science Fiction: "Zijn invloed op schrijvers als Harlan Ellison en Samuel R. Delany was seminaal, en in zijn leven en werk was hij een krachtige en over het algemeen bevrijdende invloed in de Amerikaanse sf van na de Tweede Wereldoorlog"), hij is niet erg bekend bij het grote publiek en won naar verhouding weinig prijzen (al moet worden opgemerkt dat zijn beste werk werd gepubliceerd vóór de oprichting en consolidatie van de belangrijkste genreprijzen, terwijl zijn latere productie schaarser en zwakker was). Hij werd genoemd als een primaire invloed van de veel beroemdere Ray Bradbury. Kurt Vonnegut baseerde zijn personage Kilgore Trout op Theodore Sturgeon. []
Sturgeon overleed op 8 mei 1985, aan longfibrose, in Eugene, Oregon. Sturgeon woonde enkele jaren in de naburige stad Springfield.