Теодор Лебер — сын профессора языкознания из Карлсруэ. Первоначально планировал стать химиком, но известный профессор химии Роберт Вильгельм Бунзен убедил его заняться медициной, поскольку химиков на тот период времени было с избытком.
В Гейдельберге Лебер стал студентом у Германа Гельмгольца, защитил докторскую диссертацию и проработал год ассистентом Германа Якоба Кнаппа в глазной клинике при Гейдельбергском университете.Впоследствии отправился в Вену, где под руководством Карла Людвига изучал физиологию. Вскоре Лебер вернулся к офтальмологии и работал врачом-ассистентом у Альбрехта фон Грефе в Берлине в 1867—1870 годах. Некоторое время работал в Париже.
В 1869 году получил право преподавания в Берлинском университете.
В 1871 году был назначен экстраординарным профессором офтальмологии и директором глазной клиники Гёттингенского университета, с 1890 года возглавил глазную клинику в Гейдельберге, где проработал до 1910 года.
В 1888 году Лебер был избран в члены Леопольдины. Имя Теодора Лебера носят наследственная оптическая нейропатия и амавроз.Теодор Лебер похоронен на Гейдельбергском нагорном кладбище рядом со своей второй супругой Оттилией Лебер, дочерью теолога Отто Майера. Племянник Теодора Лебера — специалист по тропической офтальмологии Альфред Лебер.