Théo Fernandez commence sa carrière d'acteur en 2009, à l'âge de 11 ans, aux côtés de Christa Théret dans le film d'épouvante Le Village des ombres. Mais c'est deux ans après que l'acteur se fait remarquer aux yeux du grand public avec la lucrative comédie d'Olivier Baroux, Les Tuche, dans le rôle du fils intello de Jean-Paul Rouve et Isabelle Nanty.

Également en 2011, le jeune comédien est à l'affiche de La Guerre des Boutons, quatrième adaptation du roman de Louis Pergaud par Yann Samuell, dans laquelle il interprète le personnage de Papier mâché. En plus du cinéma, Theo Fernandez enchaîne les rôles à la télévision : Changement de cap, Vice Versa ou encore Ma Vie au grand air. 

Habitué aux comédies, l'acteur joue dans son deuxième film d'horreur, Aux yeux des vivants, puis dans le drame Trois souvenirs de ma jeunesse. Mais il revient vite à son domaine de prédilection en reprenant son rôle de Donald dans Les Tuche 2 - Le rêve américain, Les Tuche 3 et Les Tuche 4, qui réalisent respectivement 4,6, 5,7 et 2,4 millions d'entrées.

En parallèle de cette lucrative saga, Théo revêtit les habits de Gaston Lagaffe dans l'adaptation ciné de la BD en 2018, et joue dans plusieurs séries. Parmi elles : Le Bazar de la Charité, Stalk, Les 7 Vies de Léa, Darknet-sur-Mer et Erica. En 2025, il reprend du service pour God Save the Tuche, qui se déroule en Angleterre en compagnie de la famille royale.