Van Gogh werd geboren als zoon van Anneke en Johan van Gogh, een ambtenaar van de Binnenlandse Veiligheidsdienst en een achterkleinzoon van de kunsthandelaar Theo van Gogh, de broer van de schilder Vincent van Gogh. Via zijn grootmoeder stamde hij af van de Amsterdamse wethouder Floor Wibaut. Theo groeide op in Wassenaar. Hij werd vernoemd naar de verzetsstrijder Theo van Gogh, de oudere broer van zijn vader. Deze Theo was in de Tweede Wereldoorlog door de Duitsers gefusilleerd wegens verzetsactiviteiten.

Van Gogh studeerde rechten in Amsterdam met het idee advocaat te worden. Na het afbreken van zijn studie meldde hij zich tweemaal bij de Nederlandse Filmacademie, maar werd beide keren afgewezen. Hij sprokkelde wat geld bij elkaar en maakte in 1982 als autodidact zijn regiedebuut met de speelfilm Luger.

Van Gogh maakte voor de PvdA in 1989 de verkiezingscampagnefilm, waarin lijsttrekker Wim Kok te horen en te zien was. Van Gogh was lid van het Republikeins Genootschap en stemde bij de Tweede Kamerverkiezingen in 2003 op Ayaan Hirsi Ali. Haar kritiek op de islam werd door hem gesteund. Samen met Hirsi Ali maakte hij de film Submission (uitgezonden in het televisieprogramma Zomergasten), over het verband tussen de manier waarop een deel van de moslims de Koran interpreteert en vrouwenmishandeling.

Van Gogh had een zoon, Lieuwe van Gogh, uit een relatie met de actrice Heleen Hartmans.