У 1915 мобілізований у російську армію, учасник Першої світової війни 1914-18. 3 квітня 1918 служив у Червоній армії. Командував ескадроном, 1-м кінногвардійським кримським кавалерійським полком, кавалерійською бригадою, з жовтня 1919 — кавалерійською дивізією.

У 1922 Тимошенко закінчив Вищі військово-академічні курси, у 1930 — курси командування при Військово-політичній академії.

Із серпня 1933 — заступник командувача військ Білоруського, у 1935 — 37 командував Харківським військовим округом. У червні 1937 призначений командувачем військ Північно-Кавказького, а з вересня 1937 — Харківського військових округів. 3 лютого 1938 — командувач Київського особливого воєнного округу. У вересні 1939 Тимошенко очолював Польський похід РСЧА, в результаті якого Західна Україна була приєднана до території СРСР. Під час радянсько-фінської війни 1939-40 командував військами Північно-Західного фронту. З 7 травня 1940 — Маршал Радянського Союзу, нарком оборони СРСР (до 19.7.1941)
На початку радянсько-німецької війни 1941-45 призначений заступником наркома оборони, головнокомандувачем військ Західного (згодом — Південно-Західного) стратегічного напряму, командувачем Західного (липень-вересень 1941), Південно-Західного (вересень-грудень 1941, квітень-липень 1942) Північно-Західного (жовтень 1942 — березень 1943) фронтів, у 1943-45 — представник Ставки Верховного головнокомандування з координації дій військ ряду фронтів і Чорноморського флоту. У післявоєнний час командував військами Барановичського (1945-46), Південно-Уральського (1946-49) і Білоруського військових округів (1949-60). У 1961-70 — голова Ради комітету ветеранів війни.

Похований у Кремлівській стіні на Красній Площі,Москва,Росія.