Т. Д. Лысенко вышел из крестьянской семьи. Его отец Денис Никанорович Лысенко был опытным земледельцем, даже в преклонном возрасте он возглавлял овощеводческую бригаду в Горках Ленинских под Москвой, которая в 1950-55 гг. ежегодно давала прибыль в размере 3 миллионов рублей.
После окончания двухклассной школы в 1913 году Т. Лысенко поступил в низшую школу садоводства в Полтаве, а в 1918 году — в среднюю школу садоводства в Умани. После этой школы в 1921 году он был направлен на селекционные курсы Главсахара в Киеве и в том же году поступил в Киевский сельскохозяйственный институт.
По окончании селекционных курсов Т. Д. Лысенко, продолжая учиться в институте, работал специалистом по селекции огородных культур на Белоцерковской опытной станции. В 1925 году, после окончания Киевского с.-х. института, он был направлен на вновь организованную селекционную станцию в г. Ганджа Азербайджанской ССР, где ему была поручена работа по селекции бобовых растений.
На Ганджинской селекционной станции (1925-9 гг.), работая с различными сельскохозяйственными культурами (сначала сидеральными и фуражно-бобовыми растениями, а затем с зерновыми — овсом, ячменем, пшеницей, рожью), Т. Д. Лысенко обнаружил зависимость продолжительности вегетационного периода растений от внешних условий. Им было тогда найдено, что одно и то же растение, в зависимости от внешних условий, может вести то, как яровое, то, как озимое, то, как раннеспелое, то, как позднеспелое. Эти опыты дали возможность Т. Д. Лысенко открыть закономерности стадийности развития растений.
Результаты своих исследований по изучению продолжительности вегетационного периода и первые общие положения о стадийности в развитии семенного растения были им опубликованы в ранних работах "Влияние термического фактора на продолжительность фаз развития растений" и "К вопросу о сущности озими".
Первым важным научным достижением Т. Д. Лысенко было выявление природы озимых и яровых культур, вслед за чем последовал агротехнический приём "яровизации", позволивший резко повышать их урожайность. В 1929 году Т. Д. Лысенко и Д. Н Лысенко произвели весенний посев зерна предварительно обработанной озимой пшеницы. Зерно озимой пшеницы в феврале было замочено, и когда оно наклюнулось, его закопали в снег. В мае это зерно было высеяно, в тот же год было получено дружное выколашивание озими и хороший урожай зерна (24
Способ обработки зерна озимых для весеннего сева, после которой они ведут себя, как яровые, стали называть яровизацией, а сами растения яровизированными.
Дальнейшие работы Т. Д. Лысенко (с 1929 г.) протекали в Украинском институте генетики и селекции (Одесса). Им изучалось стадийное развитие разнообразных семенных растений, разрабатывались способы яровизации озимых и яровых злаков, картофеля, хлопчатника, кукурузы и других сельскохозяйственных культур. В развитии однолетнего семенного растения Т. Д. Лысенко открыл вторую световую стадию. Здесь им была сформулирована и теория стадийного развития растений, опубликованная в журнале "Бюллетень яровизации" (1933 г.). На основе этой теории Т. Д. Лысенко разработал различные приемы агротехники, селекции, а также методы переделки природы растений.
В 1934 г. Т. Д. Лысенко был избран действительным членом Украинской Академии наук, в 1935 г. — действительным членом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук, в 1938 г. — президентом этой же академии; а в 1939 г. — действительным членом Академии наук СССР. Вскоре он был назначен и директором Института генетики Академии наук СССР в Москве.
Работы Т. Д. Лысенко поновому объяснили явления наследственности и вскрыли причины изменчивости, что позволило творчески развить основное в мичуринском учении — направленное изменение природы растений.
В предвоенные годы Т. Д. Лысенко предложил летние посадки картофеля для оздоровления посадочного материала в южных районах Советского Союза. В современных условиях, при наличии способа оздоровления посадочного материала картофеля через культуру тканей, при последующем семеноводстве метод летних посадок в южных районах России по-прежнему востребован.
В период Великой Отечественной войны Т. Д. Лысенко, как президент ВАСХНИЛ, руководил организацией исследований, направленных на нужды обороны и обеспечение продовольствием Красной армии и населения.