Kocher wurde als Sohn eines Ingenieurs in Bern geboren. Er studierte in Zürich, Berlin, London, Paris und Wien, unter anderem bei Theodor Billroth und Bernhard von Langenbeck. 1864 beendete er sein Medizinstudium und promovierte an der Chirurgischen Universitätsklinik von Bern (Inselspital). Er wurde dort Assistent bei Georg Albert Lücke (1829-1884), dessen Nachfolger als Professor für Chirurgie er 1872 wurde. In dieser Stellung verblieb er in seiner gesamten akademischen Laufbahn, obwohl Angebote anderer Kliniken vorlagen.
1909 erhielt er den Nobelpreis für Medizin (s. u.).
Kocher verstarb am 27. Juli 1917 in seiner Geburtsstadt. Er wurde auf dem Berner Bremgartenfriedhof beerdigt.
Emil Theodor Kocher war mit Marie Witschi verheiratet. Das Paar hatte drei Söhne, von denen der älteste, Albert, als Assistenzprofessor für Chirurgie seinen Vater bei dessen Arbeit unterstützte.
Der Kocherpark, eine Parkanlage auf einem von Albert Kocher 1941 der Öffentlichkeit übergebenen Grundstück, wurde nach Theodor Kocher benannt. Der Kocherpark liegt an der Belpstrasse in Bern.

Emil Theodor Kocher begann seine wissenschaftliche Arbeit mit einer Reihe von Artikeln über Hämostasis bei Verdrillung von Arterien. Als er seine chirurgische Laufbahn antrat, fand gerade ein Wechsel zwischen den althergebrachten septischen zu den neuartigen antiseptischen Behandlungsmethoden statt, die Kocher zu seiner Hauptaufgabe machte. Er entwickelte eine Reihe von Wundbehandlungsmethoden mit leichten Chlorlösungen und weitere Methoden. Später entwickelte er die ersten aseptischen Wundversorgungen. Durch seine Arbeit als Ausbilder für Militärärzte bekam Kocher außerdem Einblick in die Behandlung von Schusswunden und machte dies zu einem weiteren Schwerpunkt seiner Arbeit. Auch über Knochenbrüche und die Osteomyelitis arbeitete Kocher.
Neben der Wund- und Bruchbehandlung stellte die Chirurgie der inneren Organe einen wesentlichen Teil seiner Arbeit dar, etwa die Operation bei Magen- und Darmerkrankungen. Nach ihm ist das Kocher-Manöver benannt, mit dem man den Zwölffingerdarm von Verwachsungen lösen kann. Ebenso entwickelte er eine Reihe von chirurgischen Instrumenten, nicht zuletzt die nach ihm benannte Kocher-Klemme, die noch heute verwendet wird.
Spätere Ziele seiner Arbeit waren das Gehirn (besonders die Epilepsie), die männlichen Geschlechtsorgane und schließlich auch die Schilddrüse, zu deren Physiologie und Pathologie er gänzlich neue, kontrovers diskutierte Hypothesen und Ergebnisse darstellte. Dieser letzte Schwerpunkt brachte ihm 1909 den Nobelpreis für Medizin („für seine Arbeit über die Physiologie, Pathologie und Chirurgie der Schilddrüse“) ein. Bereits 1876 führte er die erste Strumektomie durch.