Theiler nació en Pretoria, Sudáfrica, su padre Arnold Theiler fue un virólogo veterinario bacteriólogo. Estudió en Pretoria Boys High School, Universidad de Rhodes, y después en la Escuela Médica de la Universidad del Cabo graduandose en 1918. Dejó Sudáfrica para estudiar en St Thomas' Hospital Medical School y en la London School of Hygiene and Tropical Medicine. En 1922 obtuvó un diploma en medicina tropical e higiene y se conviertió en licenciado del Colegio Real de Médicos de Londres y miembro del Colegio Real de Cirujanos de Inglaterra.

Theiler quería dedicar su carrera a la investigación, por eso en 1922 obtuvó un puesto en la Escuela de Medicina Tropical de la Universidad de Harvard. Pasó muchos de sus años estudiando la disentería causada por amebas, y tratando de desarrollar una vacuna para la fiebre causada por roedores como vectores de transmisión. Se convirtió en asistente de Andrew Sellards y empezó a trabajar en la fiebre amarilla. En 1926 refutaron a Hideyo Noguchi que la fiebre amarilla era causada por una bacteria, y en 1928 el año después que la enfermedad fue identificado concluyentemente como un virus, ellos mostraron que los virus de Africa y Sudáfrica eran idénticos inmunologicamente.

Theiler fue contratado por la Fundación Rockefeller de Nueva York, donde inició sus investigaciones cuando ya se había conseguido inocular la enfermedad de monos afectados a monos sanos; consiguió transmitir fiebre amarilla a ratas, más fáciles de manejar en el laboratorio, y trabajó con sucesivas inoculaciones hasta lograr un virus inofensivo, pero que provocaba la acción del sistema inmunitario, protegiendo al individuo frente a la enfermedad. El virus obtenido sirvió de base para preparar miles de vacunas que inmunizaron a amplios sectores de población en zonas de propagación endémica de la fiebre amarilla.

Theiler fue galardonado con la Medalla Chalmers de la Real Sociedad de Medicina Tropical e Higiene en 1939, Flattery Medal por la Universidad de Harvard en 1945, y Lasker Award de la Asociación Pública de Salud en 1949. Murió, sin haber obtenido la ciudadanía de Estados Unidos en New Haven, Connecticut.