Из дворян. В 1878 году окончил Александровский лицей. Служил в Государственной канцелярии, министерстве юстиции и канцелярии Сената.
В 1882—1884 годах жил за границей, где прослушал курсы лекций по экономике и финансам в университетах Берлина, Вены и Гейдельберга.
После возвращения в Россию работал в Министерстве финансов. С 1886 года — начальник отделения Департамента торговли и мануфактур, которое возглавлял в течение шести лет. В 1887 году произведен в надворные советники, в 1889 — пожалован чином коллежского советника, а с 1891 года возведен в чин статского советника. Чин действительного статского советника С. И. Тимашев получил в 1895 году, тайного советника — в 1904 году. В 1892—1893 годах занимал должность вице-директора Особенной канцелярии по кредитной части.
В 1892—1894 годах был членом Комиссии по пересмотру Устава Государственного банка и управляющим делами этой комиссии. С 1893 года — товарищ управляющего Государственным банком. С 5 сентября 1903 года — управляющий Государственным банком. Благодаря его усилиям в годы русско-японской войны был сохранен размен кредитных билетов на золото. С 5 ноября 1909 по 17 февраля 1915 года — министр торговли и промышленности. Во время нахождения на посту министра добился принятия закона о государственном страховании рабочих от несчастных случаев и болезней.
6 декабря 1911 года назначен членом Государственного совета. В Государственном совете примыкал к группе центра, затем к внепартийному объединению. В феврале 1915 года Сергей Иванович ушел в отставку с министерского поста, оставаясь членом Государственного совета.
В августе 1915 года избран Государственным советом членом Особого совещания по обороне; с 26 августа 1915 председательствовал в созданной Особым совещанием Подготовительной комиссии по артиллерийским вопросам. Действительный тайный советник (1917). С падением монархии политическая карьера С. И. Тимашева закончилась.
Последние годы жизни он провел за написанием мемуаров, недолгое время работал в наркомате финансов.