Theodore Lettvin étudia le piano avec Howard Wells à Chicago, de 1930 à 1935, et continua ses études aux côtés de Leon Rosenbloom de 1935 à 1941. Il fit ses débuts en tant que soliste avec l'Orchestre Symphonique de Chicago le 15 mars 1939. Frederick Stock, qui dirigeait l'orchestre, prédit un grand avenir pour le jeune homme. A l'âge de quinze ans, le jeune pianiste gagna une bourse du Curtis Institute de Philadelphie, où il étudia pendant sept ans avec Rudolf Serkin et Mieczyslaw Horszowski. Sa carrière fut brièvement interrompue par son service militaire, auprès de la Marine des États-Unis, en 1945.

Après avoir recommencé sa carrière, Theodore Lettvin devint rapidement reconnu comme l'un des pianistes majeurs de sa génération. Il reçut plusieurs prix, parmi lesquels le Naumberg Award en 1948, et le Michaels Award en 1950. Pendant une tournée qu'il réalisa en Europe et en Afrique du Nord, en 1952, il participa au Concours Reine Elisabeth.

Theodore Lettvin se produisit en récital au Wigmore Hall de Londres, à la National Gallery of Arts de Washington DC et au Town Hall de New York. En plus de ces tournées de récitals, il fit de régulières apparitions aux côtés des plus grands orchestres américains. Parmi eux, on peut citer le New York Philharmonic et les orchestres de Cleveland, Chicago, Boston, Dallas, Cincinnati, Buffalo, Baltimore, Omaha, Seattle, Nouvelle-Orléans, Pittsburgh, Minneapolis, Saint Paul et Atlanta. Il joua pour l'inauguration des New York Philharmonic Promenades, à l'été 1964, avec Andre Kostelanetz - qui l'invita à revenir la saison suivante. Il joua aussi avec l'orchestre philharmonique de New York sous la baguette de William Steinberg, lors de la première américaine du Scherzo pour piano et orchestre de Bartók. A la télévision, il participa à The Voice of Firestone, à The Chicago Theatre of the Air avec l'Orchestre Symphonique de Boston, ainsi qu'à des programmes éducatifs télévisés. Ses enregistrements furent édités par les labels HMV et Columbia.

Theodore Lettvin occupa de nombreux postes d'enseignant, notamment comme professeur invité à l'Université du Colorado (1956-1957), comme directeur du département de piano à l’École de Musique de Cleveland (1956-1968), et comme professeur de piano au Conservatoire de Musique de Nouvelle-Angleterre (1968-1977), à l'Université du Michigan (1977-1987) et l'Université Rutgers (après 1987). Il enseigna aussi lors de festivals d'été à Marlboro, Tanglewood, Ravinia, Saratoga et Salzbourg. L'Université de Maryland abrite la Collection Theodore Lettvin, composée de sa correspondance, de photographies, d'enregistrements privés, etc.