Cariera lui Theordor Stolojan a început în domeniul economic, imediat după ce a terminat facultatea. Astfel, după absolvire, s-a angajat ca economist stagiar la întreprinderea Frigotehnica București, apoi a ocupat funcția de economist în cadrul Ministerului Industriei Alimentare și Agriculturii. Începând din 1972 ocupă mai multe funcții în cadrul Ministerului de Finanțe.
După Revoluţie, el a lucrat tot în Ministerul Finanțelor, ocupând funcția de ministru adjunct al Ministerului Finanțelor până în aprilie 1990, apoi pe cea de ministru al Finanțelor, în perioada iunie 1990 – aprilie 1991 (în cabinetul Petre Roman II). În mai 1991 a fost numit președintele Agenției Naționale de Privatizare. Totuşi, după mineriada din septembrie 1991, care a generat căderea guvernului Petre Roman, Stolojan este numit premier. Ulterior, a lucrat pentru Banca Mondială şi la Grupul Tofan.
În 2000 a reintrat în politică, candidând pentru președinție din partea PNL, ocupând a treia poziţie după Ion Iliescu și Corneliu Vadim Tudor. Doi ani mai târziu a fost ales președintele Partidului Național Liberal.
În 2004, deşi era desemnat candidat la alegerile prezidentiale, Theodor Stolojan s-a retras din cursa pentru Preşedintie, dar şi de la conducerea PNL, acesta fiind unul dintre momentele care i-au marcat puternic cariera politică. Pentru a-şi justifica decizia, Theodor Stolojan a invocat probleme grave de sanatate, locul său în cursa pentru Preşedinţie fiind preluat de Traian Basescu, cel care a şi plâns în direct în momentul în care Stolojan a făcut anunţul retragerii. După ce Băsescu a câştigat alegerile, Stolojan a fost numit consilier al preşedintelui pe probleme economice.
Decăderea sa a culminat cu excluderea din PNL, însă Stolojan nu a renunţat la politică şi în octombrie 2006 a lansat Platforma liberală, devenită mai târziu Partidul Liberal Democrat (PLD), alături Valeriu Stoica, Radu F. Alexandru, Mona Musca, Cristian Boureanu şi Raluca Turcan. La alegerile europarlamentare din 25 noiembrie 2007 este ales ales în Parlamentul European.
După fuziunea dintre Partidul Democrat (PD) și PLD, Theodor Stolojan este numit prim-vicepreședinte al noi formaţiuni politice rezultate, Partidul Democrat-Liberal (PDL).
În 2008, Stolojan a fost desemnat de preşedintele Băsescu pentru funcţia de premier al României, numai că după cinci zile şi-a depus mandatul, fără a explica motivele care l-au făcut să renunţe. A invocat doar vârsta înaintată şi faptul că în politică e nevoie de „o revigorare”. În 2009, a fost reales europarlamentar pe listele PDL.
Numele lui Theodor Stolojan a fost vehiculat şi în dosarul privatizarii „Electrica Muntenia Sud”, in care au fost vizaţi Codrut Seres, Adriean Videanu si Gheorghe Seculici.