Han blev student fra Frederiksberg Gymnasium 1931, hvorefter han sideløbende studerede fysik under Niels Bohr og Kemi på DTU. Han blev cand.polyt. i 1936, hvor han også giftede sig med Inger Topsøe. Haldor Topsøe, som var civilingeniør i kemi, begyndte sin karriere som medarbejder på Aarhus Oliefabrik AS 1936-39, inden han i 1940 med sit firma Haldor Topsøe A/S etablerede sig som rådgivende ingeniør i Kongens Lyngby inden for kemisk industri med speciale i heterogen katalyse. Virksomheden blev udvidet med et produktionsanlæg i Frederikssund i 1958 og senere et produktionsanlæg i Houston, USA. I slutningen af 50'erne eksperimenterede Topsøe med fremstilling af silicium til halvledere i kælderen i sit hjem, og i 1959 grundlagde han virksomheden Topsil i 1959. En egentlig produktion blev startet i et hjørne af fabrikken i Danmark, og der blev forsket i float zone silicium. Topsil er i dag en separat børsnoteret virksomhed med en årsomsætning på over 300 mio. danske kroner. Haldor Topsøe fortsatte som eneejer af Haldor Topsøe A/S til 1972, hvor italienske Snamprogetti overtog 50% af aktierne. I 2007 købte Haldor Topsøe virksomheden tilbage, og i dag er virksomheden 100% ejet af Topsøe-familien. Ved siden af sin egen virksomhed har Haldor Topsøe beklædt flere bestyrelsesposter, bl.a. var han formand for SAS' bestyrelse fra 1968 og for SAS Invest A/S fra 1971. Han var også medlem af bestyrelsesrådet for A/S Jens Villadsens Fabriker og af bestyrelsen for A/S Villaco fra 1951, af bestyrelsen for Kampmann, Kierulff & Saxild A/S og Incentive A/S, af bestyrelsesrådet for A/S De forenede Bryggerier og af kontrolkomiteen for Haand i Haand-koncernen fra 1967, af bestyrelsen for Philips Industri og Handels A/S fra 1970; formand i bestyrelsen for A/S Det Danske Luftfartselskab. Han blev i 1968 udnævnt til æresdoktor ved Aarhus Universitet, i 1969 ved Danmarks Tekniske Universitet og i 1986 ved Chalmers tekniska högskola i Göteborg. I 1985 modtog han Det Kgl. Danske Videnskabernes Selskabs guldmedalje og i 1991 fik han den prestigefyldte amerikanske ingeniørpris Hoover Medal. Desuden har han siden 1951 været medlem af Akademiet for de Tekniske Videnskaber i Danmark samt tilsvarende organisationer i Sverige (Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademien) og USA. Han var med i Atomenergikommissionen fra 1955. I 1999 blev han af Ingeniørforeningen i Danmark udnævnt til "Århundredets Ingeniør". Han har skrevet Danmarks Produktionsliv omkring 1935 (tildelt G.A. Hagemanns Guldmedalje 1944). Han ejede Frydenlund ved Vedbæk.