Theodor Hänsch promovierte im Jahr 1969 an der Ruprechts-Karl-Universität Heidelberg. Mit einem DAAD-NATO-Stipendium wechselte er anschließend zu Arthur L. Schawlow an die Stanford University, Kalifornien. Beide wurden 1973 für ihre gemeinsamen Forschungen als „California Scientist of the Year“ ausgezeichnet. 1986 wurde Theodor Hänsch wissenschaftliches Mitglied und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität in München.

Theodor Wolfgang Hänsch ist Physiker, der von Beginn an auf dem Gebiet der experimentellen Laserphysik und Quantenoptik tätig war und deren Entwicklung maßgeblich geprägt hat. Eine seiner herausragendsten Forschungsarbeiten ist die Entwicklung des Frequenzkamms, der eine überaus exakte Messung der Frequenz von Licht ermöglicht. 

Für seine Forschungen auf dem Gebiet der Laserspektroskopie hat er zahlreiche Ehrungen, Mitgliedschaften und Ehrendoktorate erhalten, unter anderem den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (1988), der King Faisal International Prize for Laser Science (1989), die Stern-Gerlach-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (2000), der Philip Morris Forschungspreis (1998 und 2002), der Alfried-Krupp-Wissenschaftspreis (2002), das Große Verdienstkreuz des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland (2006).

Im Jahr 2005 wurde er gemeinsam mit John L. Hall neben Roy J. Glauber mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Er ist Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften, der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina, der päpstlichen Akademie der Wissenschaften und der Akadémie des sciences, Paris.