Родился Феодосий в первой половине XI века в городе Василеве, близ Киева, в богатой семье привилегированного княжеского слуги. Вскоре после его рождения семья переехала в Курск, где и протекали детские годы будущего великого подвижника. Когда отроку исполнилось тринадцать лет, отец умер; дом повела мать, женщина сильная и властная, обладавшая мужским характером и мужскими повадками. («Бывало, что кто-либо, не видя ее, услышит, как она говорит, и подумает, что это мужчина», — замечает Нестор.) Она горячо любила сына, желая видеть его продолжателем отцовских занятий; но сколько натерпелся от нее Феодосий, избравший иной путь — служения Богу и отрешения от мира; сколько упреков, а то и жестоких побоев пришлось ему снести! Нестор в Житии святого подробно описывает тяготы и лишения, которым предавался юноша: он избегал детских игр и веселья, проводил все время в молитвах, носил на теле железные вериги, работал наравне с последними из своих слуг, отказывался от дорогих одежд, облачаясь в рубище. Узнав, что в церкви, которую он посещал, часто не бывает литургии, ибо некому печь просфоры, Феодосий решает сам заняться этим делом. В течение нескольких лет он своими руками выпекал просфоры, а всю выручку, полученную от их продажи, раздавал нищим. И поступал так, несмотря на насмешки сверстников и запреты матери.
Не однажды Феодосий пытался бежать из родительского дома, но всякий раз мать силой возвращала его обратно. Наконец, воспользовавшись тем, что мать задержалась на несколько дней в некоем своем селе, Феодосий покинул дом и отправился в Киев. Ему сопутствовала удача: следуя за караваном купцов, он добрался до Киева, не сбившись с пути и избежав погони.
Феодосий обошел все киевские монастыри, но его не приняли ни в один из них из-за видимой бедности и «худости риз». И лишь придя в убогую пещерку Антония, Феодосий не встретил отказа. Другой насельник пещеры, Никон (будущий печерский игумен), постриг его в иноческий чин.
Это было самое начало Печерской обители. Феодосий принялся с рвением исполнять все монастырские послушания, не чураясь никакой работы и находя все новые и новые пути смирения духа. Нестор рассказывает о монашеских подвигах святого: он питался лишь хлебом (иногда овощами) с водой, никогда не спал лежа, но лишь сидя, не омывал тело водою. После ухода первого печерского игумена Варлаама в основанный князем Изяславом Ярославичем Дмитровский монастырь (это было, по-видимому, незадолго до 1062 года) братия избрала его игуменом. Более двенадцати лет Феодосий руководил обителью, и за эти годы к монастырю пришла общерусская слава.
При Феодосии монастырь «вышел» из пещер на поверхность — и в прямом, и в переносном смысле. Помимо маленькой церковки были поставлены келии, ограда. В 1062 году братия переселились в них из пещер. Число иноков значительно возросло — с двенадцати или пятнадцати до ста человек. Началось строительство «великой» (так называют ее источники) Печерской церкви во имя Успения Пресвятой Богородицы, завершенной уже при преемниках Феодосия. По указанию игумена из Константинополя в Киев был привезен т. н. Студийский устав, учреждавший общежительную форму организации монастыря. Из Печерской обители этот устав впоследствии разошелся по другим монастырям древней Руси. «Оттого и почитается монастырь Печерский старейшим среди всех монастырей», — пишет автор летописного Сказания о начале монастыря.