Theodor Hagen studierte ab 1858 an der Kunstakademie in Düsseldorf unter Oswald Achenbach (1827-1905), Josef Wintergerst (1783-1867), Andreas (1831-1901) und Karl Müller (1818-1893), Ludwig Heitland (1837-1911), Heinrich Mücke (1806-1891), Rudolf Wiegmann (1804-1865) und Carl Irmer (1834-1900). 1867, ein Jahr bevor er sein Studium abschloss, reiste er gemeinsam mit Carl Seibels (1844-1877) nach Paris. Dort stellte er eines seiner Gemälde auf der Weltausstellung aus.
Zwei Jahre später ließ sich Achenbach an der Akademie beurlauben. Hagen wurde sein Vertreter und unternahm im gleichen Jahr eine Studienreise durch Deutschland und in die Schweizer Alpen.

1871 wurde er an die Großherzoglich-Sächsische Kunstschule in Weimar berufen, um dort die Nachfolge von Max Schmidt (1818-1901) anzutreten. 1876 übernahm er schließlich die Direktion in Nachfolge von Leopold von Kalckreuth (1855-1928). Unter seiner Leitung wurde die Kunstschule eine der progressivsten Lehranstalten Deutschlands. 1881 gab er die Stelle allerdings auf um sich ganz der Malerei und der Lehre zu widmen. In dieser Zeit gehörten Karl Buchholz (1849-1889), Franz Bunke (1857-1939), Rudolf Höckner (1864-1942) und Franz Hoffmann-Fallersleben (1855-1927) zu seinen Meisterschülern. Weitere bedeutende Schüler waren Christian Rohlfs (1849-1938), Hans Arp (1886-1966) und Paul Baum (1859-1932).
Ein Jahr nach seiner Amtsübernahme unternahm er gemeinsam mit Heinrich Ludwig von Gleichen-Russwurm (1836-1901) eine Studienreise nach Holland um dort die niederländische Malerei des 17. Jahrhunderts zu studieren.

Alfred Lichtwark (1852-1914), mit dem ihn eine innige Freundschaft verband und der ab 1886 der erste Leiter der Hamburger Kunsthalle war, lud ihn nach Hamburg ein um dort Ansichten der Stadt anzufertigen. Zahlreiche Gruppenausstellungen, unter anderem an der Berliner Akademie, im Deutschen Künstlerbund in Weimar und im Münchner Glaspalast wurden von ihm bestückt. Neben der Teilnahme an Ausstellungen, beteiligte er sich auch durch Mitgliedschaft in Vereinen am künstlerischen Leben. 1864 trat er der Düsseldorfer Künstlervereinigung Malkasten bei, 1893 der Münchner Sezession, 1902 der Berliner Sezession und 1903 gehörte er zu den Mitbegründern des Deutschen Künstlerbundes in Weimar.

Als stilprägender Vertreter der Düsseldorfer und Weimarer Malerschule gilt er als Begründer des deutschen Impressionismus. Er entdeckte den französischen Impressionismus und die damit verbundene Freilichtmalerei der Schule von Barbizon für sich.
Am Beginn seiner Schaffensphase begann er sich durch das Kopieren von Werken seines Lehrers Achenbach zu schulen. Die Tradition der Akademie blieb auch weiter in seinem Frühwerk bestehen. Spätromantische Atelier-Kompositionen mit Motiven aus Düsseldorf und Umgebung waren für diese Zeit charakteristisch. Mit seiner Ankunft in Weimar löste er sich nach und nach von der akademischen Tradition der fiktiven Ideal-Landschaft.

Zu seinem Œuvre gehörten neben der Malerei auch zahlreiche Radierungen.
Sein Ziel war es die Weite und Farbe der Landschaft, der Jahres- und Tageszeiten und Lichtstimmungen wiederzugeben. Naturalistisch, meist helltonig, ein teils sonniges und teils graues Kolorit waren genauso charakteristisch für seine Arbeiten wie die skizzenhaft-lockere Malweise.