Auf Wunsch seiner Mutter hatte er zunächst in Kiel, Heidelberg und Berlin Jura studiert - doch bald folgte er seinem Interesse und wechselte zur Astronomie.
Theodor Brorsen arbeitete in Kiel und Altona, lehnte später einen Ruf nach Kopenhagen ab und wurde dann Direktor einer großen Privatsternwarte im böhmischen Senftenberg.
Nach dem Tod des Geldgebers rissen die Erben die Sternwarte ab. Etliche Jahre später kehrte Theodor Brorsen in seine inzwischen preußisch verwaltete Geburtsstadt zurück.
Nach der Niederlage in der Schlacht bei den Düppeler Schanzen heute vor 150 Jahren hatte Dänemark diesen Landesteil abtreten müssen.
Theodor Brorsen entdeckte fünf Kometen: Einer kreiste in nicht einmal fünf Jahren um die Sonne und hat sich mittlerweile aufgelöst. Ein anderer, Brorsen-Metcalf, gehört mit gut siebzig Jahren Umlaufzeit zur Familie des Kometen Halley.
Wissenschaftlich am bedeutendsten sind Brorsens Arbeiten über den Gegenschein des Zodiakallichts. Er erklärte, dass dieses matte Leuchten am Nachthimmel - genau gegenüber der Sonne - auf von interplanetarem Staub reflektiertes Sonnenlicht zurückgeht.
Heute ist Theodor Brorsen weitgehend in Vergessenheit geraten. Doch der Komet Brorsen-Metcalf erinnert an ihn - spätestens 2059 wieder, wenn er erneut ins innere Sonnensystem zurückkehrt.