Флавий Феодосий родился около 346 года в испанском городе Кавка в провинции Галисии (совр. Кока в Сеговии). Его родителями были Ферманция (Терманция) и римский полководец Феодосий из рода прославленного императора Траяна.

Феодосий Старший дослужился до поста командующего конницей при императоре Валентиниане. В последние годы Феодосий Старший подавлял восстание местных племён во главе с Фирмом II в Северной Африке, однако в 375 году был обвинён в измене и в 376 году — казнён.

Будущий император Феодосий начал военную службу под началом своего отца и участвовал с ним в экспедиции в Римскую Британию, чтобы подавить там восстание племён пиктов и скóттов. В 374 году он занимал пост командующего войсками в придунайской провинции Мёзия, где успешно сражался с сарматами. По словам историка V века Зосимы, именно победы над сарматами принесли Феодосию впоследствии императорские регалии.

После казни отца Феодосию пришлось искать убежище, однако вскоре он занял пост командующего войсками в балканской провинции Иллирик, где снова отражал набеги сарматов.

В результате восстания племён готов в 377 году территория Фракии и Мёзии стала ареной борьбы между варварскими племенами и союзными силами западной и восточной частей Римской империи. 9.08.378 под Адрианополем (совр. турецкий Эдирне) готы под предводительством вождя Фритигерна полностью разгромили римскую армию, убив в сражении императора Валента II. Его племянник, император Грациан, в это время подходил на помощь дяде, но после смерти Валента остался на территории современной Сербии, стараясь не допустить прорыва варваров с Балкан в Италию.

По заведённому в империи порядку Грациан должен был назначить соправителя для управления восточной частью Римской империи, причём в виду сложившейся обстановки желательно из числа людей, обладавших военными талантами. Своему формальному соправителю в западной части империи, малолетнему брату Валентиниану, Грациан не рискнул доверить власть над Востоком. 19.01.379 в Сирмии (совр. Сремска-Митровица в Сербии) Грациан провозгласил императором восточной части Римской империи Феодосия. У Грациана фактически не было выбора, поскольку все его полководцы, судя по именам, были родом из варваров, и только командующий войсками в Иллирике Флавий Феодосий происходил из благородной римской семьи.

Близ Сирмия Феодосий одержал над готами решительную победу. Военачальник Феодосия Модарий дождался в засаде, когда варвары опьянели и отяжелели от пиршества. Затем он приказал своим воинам атаковать их лагерь налегке с одними только мечами. Варвары в течение короткого времени были перебиты, римляне захватили 4 тыс. повозок и столько пленных, что заполнили ими все эти повозки.

Почти через 2 года после назначения императором Феодосий покинул Фессалоники, откуда руководил войной с готами, и 24.11.380 вступил в свою столицу Константинополь, после чего основное внимание уделял церковной политике и дипломатической работе с готскими вождями. Он привлёк в армию многих варваров, разрешив им свободно покидать её ряды и вступать обратно по желанию. Хотя численность войск восстановилась, их дисциплина и управляемость значительно снизились. Грациан послал Феодосию на помощь войска во главе с франками Баудоном и Арбогастом, которые выдавили банды варваров из Македонии и Фессалии обратно во Фракию. Это улучшило положение восточной части Римской империи и склонило готов к переговорам.

В январе 381 года Феодосий I пригласил предводителя вестготов, Атанариха, в Константинополь. Огромные городские площади, ипподром и Большой дворец поразили Атанариха, который благоговейно дивился величию византийского императора. Однако Атанарих через 2 недели скончался в Константинополе. Похороны готского вождя Феодосий превратил в пышную церемонию, надеясь завоевать расположение варваров. 3.10.382 Феодосий заключил мирный договор, по которому готы поселились как федераты империи в Нижней Мёзии и Фракии (территория современной Болгарии). Эта дата считается окончанием римско-готской войны.

После заключения мира с готами, Феодосий обратил внимание на Восток. На владения империи в Сирии, воспользовавшись ситуацией, совершали набеги сарацины. В 383 году полководец Феодосия Рихомер нанёс им поражение, после чего ряд арабских племён в качестве федератов охраняли границы империи на этом направлении.

Борьба за власть в Персидской державе значительно ослабила главную угрозу для империи на Востоке, к тому же Феодосию удавалось поддерживать хорошие отношения с меняющимися персидскими царями. Чтобы окончательно устранить потенциальный источник раздора на границе, в 387 году Феодосий достиг с персами соглашения по разделу Армении на сферы влияния. Западная часть Армении отошла под управление царя Аршака, а восточная осталась во владении царя Хосрова.

В это время сменилась власть в Западной Римской империи. В 383 году командующий римской армией в Британии Магн Максим высадился в Галлии, узурпировав там власть. Римский император Грациан в ходе смуты был убит. Его младший брат-соправитель Валентиниан стал соправителем Максима, владея Италией и провинциями в Африке и на Балканах. Феодосий был вынужден признать императорский титул Максима вслед за признанием Максима Валентинианом.

Летом 387 года Максим послал войска в северную Италию, вынудив императора Валентиниана бежать в Фессалоники под покровительство Феодосия. Политическая заинтересованность императоров друг в друге укрепилась браком в том же году Феодосия на Галле, сестре Валентиниана. Первая жена Феодосия, Флацилла, к этому времени скончалась.

В 388 году началась война против Максима. Римский наместник в Северной Африке Гильдон захватил Сицилию, оттянув часть сил Максима на южный театр боевых действий. Соединённое войско Феодосия и Валентиниана разбило армию Максима в Сисции и Поэтовионе (на реке Сава), затем подошло к восточным Альпам. Альпийские проходы на север Италии охранял военачальник Максима Андрагаций, который возвёл укрепления и занял все возможные места переправ через реки. Андрагаций решил совершить морской рейд, чтобы внезапно напасть на противника, но Феодосий воспользовался этим и без сопротивления преодолел Альпы, оставленные без должной защиты. Максим был захвачен в Аквилее и казнён там же 28.08.388. Андрагаций, узнав о смерти Максима, бросился с корабля в море.

До возвращения в Константинополь Феодосий оставался в Италии более 3 лет, сделав своей резиденцией Медиолан. В это время он оказался под духовным влиянием епископа Медиолана Св. Амвросия.

В 390 году произошли волнения в крупнейшем городе Македонии Фессалониках. Командующий войсками в провинции Иллирик Ботерих за бытовую провинность посадил в тюрьму популярного в народе колесничего. Толпа местных жителей потребовала освободить его как человека, необходимого для предстоящих скачек, а когда Ботерих отказался, они убили его, забросав камнями. Погибли также другие представители имперской администрации. Феодосий, расценив это как мятеж, приказал перебить заранее определённое число горожан. Погибло по разным свидетельствам от 7 до 15 тыс. жителей.

Когда после этих событий Феодосий прибыл в Милан и хотел помолиться в церкви, епископ города Амвросий не пустил его за порог, обвиняя в убийстве невинных и требуя покаяния. Только спустя 8 месяцев епископ простил императора, заставив того принять закон, по которому утверждение смертных приговоров откладывалось на 30 дней после вынесения приговора.

10.11.391 Феодосий вернулся в Константинополь. После его ухода из Италии фактическую власть в Западно-Римской империи осуществлял не император Валентиниан, а его главнокомандующий войсками франк Арбогаст. Попытки Валентиниана отстоять свои полномочия привели к конфликту, в результате которого 15.05.392 он был убит при неясных обстоятельствах. Не дожидаясь решения Феодосия, 22 августа Арбогаст возвёл на императорский престол своего ставленника, начальника имперской канцелярии Евгения.

Феодосий отказался признавать легитимность Евгения и летом 394 года двинул армию в Италию. 6.09.394 в предгорьях восточных Альп на реке Фригид (на границе совр. Словении с Италией) состоялось генеральное сражение. Передовой отряд войска Феодосия из 10 тыс. готов был полностью истреблён Арбогастом, что современники сочли скорее благом, чем потерей. Евгений к исходу дня стал преждевременно праздновать победу. Однако полководец Арбогаста Арбицион неожиданно перешёл на сторону Феодосия, что, возможно, стало решающим фактором в разгроме узурпатора. Воины Феодосия прорвались в лагерь западных римлян к палатке императора-узурпатора. Евгений был схвачен и немедленно обезглавлен, его голову на пике показали его войскам, которые в массе своей перешли на сторону Феодосия. Арбогаст бежал в горы, за ним выслали погоню, и он закололся, чтобы избежать пленения.

На несколько месяцев Феодосий стал фактическим правителем единой Римской империи, однако 17.01.395 он скончался от водянки в Медиолане (совр. Милан). Его забальзамированное тело в том же году было доставлено в Константинополь для погребения.

Перед смертью Феодосий успел осуществить мирный раздел наследия Римской империи между сыновьями. Старшему Аркадию досталась Восточная часть со столицей в Константинополе. Младшему Гонорию отошла Западная часть Римской империи. 10-летнего императора Гонория Феодосий поместил под опеку доверенного полководца Стилихона, которого за 8 лет до того женил на своей племяннице Серене. С 395 года греческая восточная и латинская западная половины империи больше никогда не соединялись под единым управлением. Западная часть империи развалилась под натиском варваров спустя 80 лет, а Византия более тысячелетия сохраняла преемственность традиций Римской империи.

Став императором, Феодосий порвал с установленной ранее императором Константином Великим религиозной системой, которая в целом сохраняла нейтралитет государства по отношению к разнообразным культам и исповеданиям граждан империи. При Феодосии догматы христианства начали фиксироваться не в результате свободного обсуждения в церковных кругах, а утверждались правительственными указами.

27.02.380 в Фессалониках Феодосий издал основополагающий эдикт, которым в качестве допустимой для подданных империи была объявлена христианская вера исключительно в форме, зафиксированной на Никейском соборе. Через год, в январе 381 года, был выпущен новый эдикт с уточнением фессалоникского постановления. Победа "никейцев" была закреплена идеологически на Константинопольском соборе (Втором Вселенском) в июле 381 года, а затем поддержана административно запретом возглавлять церкви епископам неникейского исповедания.

Арианство и другие течения в христианстве, отличные от Никейского Символа веры, объявлялись ересями, и подлежали преследованию государством. Хотя арианских убеждений продолжали придерживаться множество жителей империи, им запрещалось иметь свои церкви и собираться в населённых пунктах. Репрессии направлялись, в основном, против некоторых представителей клира еретических течений.

Никейская формула веры, поддержанная Феодосием, стала официально называться кафолической (католической). Однако религиозный вопрос не был окончательно разрешён, теологические споры о природе Христа и сути веры продолжились с новой силой в 1-й половине V века.

В 393 году в последний раз отмечались Олимпийские игры, которые были главным спортивным праздником в Древней Греции на протяжении более чем 11 веков. В литературе иногда связывают прекращение игр с указом Феодосия, но последний его известный эдикт по борьбе с язычеством датируется 392 годом и там нет указания на запрет Олимпийских игр. Феодосий не запрещал состязания вообще, но наложил определённые ограничения, которые и сделали невозможным проведение греческих Олимпиад.

Деятельность императора Феодосия определила направление религиозного развития Европы, за что он удостоился от христианских писателей эпитета Великий. Император Феодосий канонизирован в лике святого, день памяти в православной церкви отмечается 17 (30) января.