В 1913 году, после окончания двухклассной сельской школы, поступил в низшее училище садоводства в Полтаве. В 1917 году поступил, а в 1921 — окончил среднее училище садоводства в городе Умань (ныне — Уманский государственный аграрный университет) на базе дендропарка «Софиевка». Работал старшим специалистом Белоцерковской селекционной станции под Киевом (1922—1925). В 1925 году окончил Киевский сельскохозяйственный институт. С 1925 года - заведующий отделом селекции бобовых культур Гянджинской селекционной станции в Азербайджанской ССР, с 1929 года - старший специалист отдела физиологии Всесоюзного селекционно-генетического института в Одессе (1929—34). В 1934 году избран академиком Академии наук Украинской СССР, а в 1935 году – академиком ВАСХНИЛ СССР.
В этот период Д.Т.Лысенко предложил идею «яровизации растений» - воздействия пониженных тем¬ператур на семена озимых сортов до посадки, после чего выращенные из этих семян посевы ускоряют переход к цветению, выколашиваются и плодоносят. Этот метод обеспечил значительную прибавку урожая и позволил высевать сорта яровой пшеницы в более северных, чем ранее, районах. Способ яровизации применяется до настоящего времени. Аналогичные разработки применяются и на Западе, где агрономы пришли к аналогичным выводам. Идею яровизации горячо поддержал Н.И. Вавилов. В 1934 году Лысенко назначен научным руководителем, а в 1936 - директором Всесоюзного селекционно-генетического института. С 1938 года - научный руководитель лаборатории Экспериментальной научно-исследовательской базы АН СССР «Горки Ленинские» в Московской области. В 1936 году им предложен способ «чеканки растений», ведущий к прекращению роста и жирования растений, к их более раннему цветению и завязыванию плодов. Такой способ применяется при обработке хлопчатника по всей Средней Азии, значительно повышает урожаи хлопчатника. на площади 13 млн. гектаров. Этот агротехнический приём обеспечил увеличение до-морозного сбора хлопчатника на 10-20%. Применялся на площади К5-90% всех посевов хлопчатника. Применяется и в отношении целого ряда плодовых культур. Также Лысенко выведены урожайные и морозоустойчивые сорта зерновых культур, предложены новые агротехнические приемы, доказана необходимость комплексных почвозащитных мероприятий, предложен прогрессивный метод летних посадок картофеля. Под руководством Т.Д. Лысенко был выведен сорт озимой пшеницы Одесская 3, морозостойкий и засухоустойчивый, превышающий по урожайности стандартные сорта на 3-4 центнера с гектара. Выведен сорт ярового ячменя Одесский 9; сорт хлопчатника Одесский 1, ставший основным сортом хлопководства в новых районах его возделывания.
В годы войны Т.Д. Лысенко были предложены методы посева по стерне и посева верхушек клубней картофеля, позволившие увеличить сбор урожая в условиях дефицита посевного материала и топлива; организованы мероприятия по борьбе со свекловичным долгоносиком; предложены биологические способы борьбы с вредителями растений. В рамках "сталинского плана преобразования природы" Т.Д. Лысенко участвовал в разработке и внедрении в практику методов создания лесозащитных полос; в развитии травопольной системы.
С 1938 по 1956 годы избирался Президентом ВАСХНИЛ СССР. Директор Института генетики АН СССР с 1940 по 1965 г. В 1956 году Т. Лысенко был смещен с поста президента ВАСХНИЛ. «Народный академик» выступил против освоения целины, предлагая обеспечить повышение урожайности земель России и Украины, а в Сибири и Казахстане создать для начала лишь опытные станции. Его не послушали. В результате уже к началу 60-х годов эрозия почвы и пыльные бури от бездумной распашки снесли плодородный слой на целинных землях, снизив урожайность зерновых до 2 — 3 центнеров с гектара. В 1961 году Н. Хрущев вновь назначил Лысенко президентом ВАСХНИЛ, но всего лишь на год. «Народный академик» не поддержал авантюры Н. Хрущева в сельском хозяйстве. С 1966 года и до конца жизни Д.Т.Лысенко работал заведующим лабораторией Экспериментальной научно-исследовательской базой АН СССР «Горки Ленинские» в Московской области, продолжая научно-исследовательскую работу.
Умер Трофим Лысенко в 1978 году.
Соч.: Работы в дни Великой Отечественной войны, М., 1943; Доклад о положении в биологической науке, в кн.: О положении в биологической науке. Стенографический отчет сессии Всесоюзной Акад. сельскохозяйственных наук им. В. И. Ленина 31 июля— 7 августа 1948 г., М., 1948; Агробиология. Работы по вопросам генетики, селекции и семеноводства, [6 изд.], М., 1952; Стадийное развитие растений. Работы по теории стадийного развития и яровизации сельскохозяйственных растений, М., 1952; Избранные сочинения, М., 1953. Лит.: Келлер Б. А., Преобразователи природы растений. К. А. Тимирязев, И. В. Мичурин, Т. Д. Лысенко, М., 1944; Молодчиков А., Преобразователи природы [И. В. Мичурин, Т. Д. Лысенко, Л. Бербанк], М., 1948; Воинов М. С., Академик Т. Д. Лысенко, М., 1950; Трофим Денисович Лысенко, М., 1953 (АН СССР. Материалы к биобиблиографии ученых СССР. Серия биолог. наук. Агробиология, вып. 1).