Não se conhece quase nada acerca da obra literária deste autor, mas pelos relatos em segunda mãos - citações e comentários - a mesma deve ter sido extraordinariamente extensa. De ele conservou-se um escrito apologético, dividido em três partes, dirigido ao seu amigo Autólico - "Três Livros a Autólico" - que, pelos seus dados internos, terá sido escrito entre 179 e 181. Esta trata-se de uma obra em defesa dos cristãos que continuavam a ser perseguidos no Império Romano.Como era frequente na Antiguidade, Autólico não terá sido uma figura histórica, mas encarna e personaliza um tipo de pessoa pagã que não devia ser rara nos finais do século II: pessoa culta, conhecedora de outras pessoas igualmente cultas e até de alguns cristãos a quem repudiava por achar as suas doutrinas demasiado simplicistas. Nesta obra Teófilo procura, com enorme elegância e clareza de linguagem, debater tais críticas e convidar o seu possível leitor a ousar aprofundar os seus conhecimentos acerca da fé cristã, defendendo, ainda, de modo acérrimo a moral exemplar dos cristãos. Teófilo foi, ainda, o primeiro autor cristão a escrever um comentário exegético ao livro do Génesis, propondo já então uma interpretação de tendência alegórica (veja Escola de Antioquia). Escreveu, ainda, um "Comentário aos Evangelhos" que se perdeu.