Théo Pourchaire commence à rouler en karting dès l'âge de deux ans. Il commence la compétition à l'âge de sept ans et se distingue rapidement, remportant plusieurs titres régionaux et nationaux dans différentes catégories de karting entre 2010 et 2016. Durant cette période, il s'impose notamment comme champion de France minime et cadet. À tout juste 13 ans, il termine également troisième du championnat du monde OK-Junior. En 2017, il intègre l'équipe de France FFSA et remporte une manche du championnat d'Europe OK Senior.

Il fait ensuite la transition vers la monoplace avec des débuts remarqués en Formule 4, puis en Formule 3, où il gagne rapidement en notoriété. À 16 ans, il devient le plus jeune vainqueur de l'histoire de la Formule 3 lors de la saison 2020, battant un record vieux de plusieurs années.

Cette ascension se poursuit en Formule 2 avec l'écurie ART Grand Prix, où il fait ses débuts en 2021. Il fait l'histoire en devenant le plus jeune poleman et vainqueur de courses dans la discipline. Il poursuit en F2 l'année suivante et termine vice-champion, derrière Felipe Drugovich. Il participe aux essais du vendredi matin lors du Grand Prix des États-Unis.

Sa régularité et sa ténacité lui permettent de décrocher le titre de champion du monde de Formule 2 en 2023. Cette année-là, il participe aux essais du vendredi matin lors des Grands Prix de Mexico et d'Abou Dabi avec Alfa Romeo.

Malgré ce succès majeur, la transition vers la Formule 1 s'avère difficile. En 2024, il se retrouve sans volant en Formule 1 et tente d'autres opportunités en Super Formula au Japon. Il rencontre alors des difficultés d'adaptation linguistique et culturelle, avant d'être appelé en IndyCar aux États-Unis pour remplacer un pilote blessé. Cette expérience, bien que brève et marquée par une sortie prématurée de l'équipe Arrow McLaren, constitue une étape importante de sa carrière.