Din 1943 a devenit instrumentist (a cântat la flaut și saxofon) în diverse orchestre de teatru muzical, precum "Atlantic" (1943-1947), "Alhambra" (1947-1949), Teatrul de Estradă București (1949-1957), dar și în Orchestra de jazz București (1957-1962).

În 1961 a debutat cu prima sa compoziție, melodia "Lalele", care devine imediat șlagăr în interpretarea inegalabilului Luigi Ionescu. În memoria ascultătorilor au rămas șlagărele pline de farmec semnate de Temistocle Popa, precum: "Chitare" (interpretată de Dan Spătaru), "Cu cine semeni dumneata?" (Aurelian Andreescu), "Poiana cu flori" (Trio Grigoriu), "Zorile" (Luigi Ionescu), "Asta seară m-am îndrăgostit" (Adrian Romcescu), "Trecea fanfara militară" (Dan Spătaru), "Gioconda se mărită" (Ștefan Bănică), "Bine-ai venit, iubire!" (Mirabela Dauer), "Inimă" (Ileana Sărăroiu), "Margarete" (Margareta Pâslaru), "Măicuță, îți mulțumesc" (Dan Spătaru), "Un petic de cer" (Mirabela Dauer), "Șoapte de iubire" (Doina Badea), "Vino, iubire!" (Daniel Iordăchioaie), "Pentru inima mea și a ta' (Angela Similea), "În rândul patru" (Anda Călugăreanu/Dan Spătaru).

Deși s-a remarcat prin compozițiile de muzică ușoară (voce și pian), a compus și muzică de film, pentru peliculele: "Mic album muzical" (1958), "Amintiri din București" (1959), "La vârsta dragostei" (1963), "Electronicus" (1963), "8 minute de vis" (1965), "Cerul începe la etajul III" (1967), "Cântecele mării" (1969), "Tinerețe fără bătrânețe" (1968), "Cântecele mării" (1969).

A obținut importante premii la Festivalul de muzică ușoară de la Mamaia (1963, 1964, 1965, 1966), Marele Premiu al acestui festival revenindu-i în 1969; Premiul de Excelență al UCMR pe anul 1999 — la secțiunea muzică ușoară. În 2008, la Gala Premiilor Muzicale Radio România Actualități, compozitorului Temistocle Popa i-a fost acordat Premiul de Excelență, pentru întreaga sa activitate muzicală pusă și în slujba Radioului.

La 9 noiembrie 2004 i-a fost decernat Ordinul Național "Serviciul Credincios" în grad de Cavaler, în semn de apreciere pentru îndelungata și prodigioasa activitate, evidențiată prin numeroase piese de mare succes, în special de muzică ușoară, dar și muzică de jazz, de film sau simfonică.

În 20 octombrie 2011 s-a lansat cartea biografică dedicată lui. AGERPRES