Nato a Hierden, Paesi Bassi, il 22 agosto 1983, Theo Bos vince il suo primo mondiale negli juniores, nel 2001, nel chilometro con partenza da fermo, facendo registrare anche il record mondiale. In seguito vince il mondiale open della velocità nel 2004 a Melbourne, in Australia, dove arriva anche terzo nel chilometro e nello stesso anno conquista la medaglia d'argento della velocità alle Olimpiadi di Atene.
Nel 2005 vince il mondiale nel chilometro da fermo, a Los Angeles, ma è l'anno seguente che si consacra nell'olimpo dei migliori pistard. Ai mondiali 2006 di Bordeaux fa suoi la velocità e il keirin, dimostrando una superiorità schiacciante, tanto che nella prova di coppa del mondo a Mosca, batte il record dei 200 metri con 9"772.
Nel 2007, nonostante una caduta in coppa del mondo che gli rallenta la preparazione, conferma il titolo mondiale nella velocità ai mondiali di Palma di Maiorca ed è battuto da Chris Hoy nel keirin.
Il suo obiettivo per il 2008 sono le Olimpiadi di Pechino, e poi passerà alle corse su strada, avendo già firmato un contratto con la Rabobank. Ha un fratello maggiore, Jan che fa parte anche lui della nazionale velocità.