Л. Ф. Тимашук родилась 21 ноября 1898 года в Брест-Литовске в семье унтер-офицера. Трудовую жизнь начала в Самаре: училась и одновременно работала в городской управе. Поступила в Самарский университет на медицинский факультет. А в 1920-м была мобилизована на борьбу с эпидемией сыпного тифа и холеры. После гражданской войны жила в Петрограде, а затем переехала в Москву, где завершила свое медицинское образование и начала работать врачом в лечебно-санитарном управлении Кремля.
20 января 1953 года была награждена орденом Ленина «за помощь, оказанную Правительству в деле разоблачения врачей-убийц». После закрытия «дела врачей-вредителей», произошедшего после смерти Сталина, Тимашук 3 апреля 1953 года лишена ордена «в связи с выявившимися в настоящее время действительными обстоятельствами». До выхода на пенсию в 1964 году работала в 4-м Главном управлении Министерства здравоохранения СССР.
28 августа 1948 года Л. Ф. Тимашук, работавшая в то время заведующей отделом функциональной диагностики кремлевского Лечсанупра, после снятия кардиограммы у А. А. Жданова на его даче записала в заключении диагноз «инфаркт миокарда». Однако присутствовавшие известные медики профессора Егоров, Виноградов и врач Майоров вынудили её переписать заключение, исключив из него слово «инфаркт», и разрешили лечение, категорически противопоказанное при данном заболевании, которого они, на основании кардиограммы и клинической картины, не находили. Тогда Тимашук направляет письмо начальнику Главного управления охраны МГБ, в котором ставит в известность о случившемся, однако её письмо перенаправляют тому, на кого она жаловалась, — начальнику Лечсанупра Кремля Егорову. 30 августа 1948 года А. А. Жданов умирает. После вскрытия диагноз Тимашук «инфаркт миокарда» не подтверждается. Об отсутствии инфаркта говорит и современное прочтение кардиограмм того времени . На кардиограмме обнаружена сердечная астма, усугублённая тем, что Жданов злоупотреблял спиртными напитками. Не подтверждалась гипотеза инфаркта и клинической картиной заболевания Жданова. В умышленном игнорировании инфаркта «признаётся» один из обвиняемых по делу врачей, академик АМН СССР В. Н. Виноградов, но делает это под пытками . В связи с неосновательной жалобой и неаккуратным чтением кардиограммы Тимашук, понизив в должности, переводят в филиал поликлиники. Тогда она направляет второе и третье письмо секретарю ЦК ВКП(б) А. Кузнецову, где повторяет многое из своего первого письма. Но А. Кузнецов на её письма не отвечает. Четыре года письма Тимашук лежат в архиве. Но неожиданно в августе 1952 года её вызывают в МГБ и попросят подробно рассказать, что происходило на даче Жданова незадолго до его смерти. Она рассказывает, и вскоре начинаются аресты врачей еврейской национальности.
Как отмечает ряд исследователей,[кто?] этот нашумевший процесс был частью спланированной операции по ликвидации части правящей в СССР верхушки: в связи с «делом врачей» значительно ослабело влияние Молотова, Ворошилова и Кагановича. По некоторым данным, к этому процессу имел самое непосредственное отношение Н. С. Хрущев, который благодаря этим событиям выбился на самую верхушку аппарата власти. С другой стороны, есть основания сомневаться в утверждении об особой причастности Н. С. Хрущева к делу врачей.
20 января 1953 года Л. Ф. Тимашук была награждена орденом Ленина «за помощь, оказанную Правительству в деле разоблачения врачей-убийц». После закрытия «дела врачей-вредителей», произошедшего после смерти Сталина, и назначения Л. П. Берия министром МВД и МГБ, Тимашук 3 апреля 1953 года лишена ордена Ленина, о чём говорит опубликованное в газете «Правда» от 04 апреля № 94 (12662) сообщение о постановлении Президиума Верховного Совета СССР, отменившего Указ от 20 января 1953 год о её награждении. Правда, летом 1954 года её наградили другим орденом, Трудового Красного Знамени, «за долгую и безупречную службу». До выхода на пенсию в 1964 году работала там же, в 4-м Главном управлении Министерства здравоохранения СССР. По словам академика Сахарова, он отказался делать кардиограмму у неё в начале 60-х, что, вероятно, способствовало увольнению. Скончалась в 1983 году.
На XX съезде КПСС в 1956 году Н. С. Хрущев зачитал доклад «О культе личности и его последствиях». В нём была упомянута и Лидия Тимашук, названная негласным сотрудником органов госбезопасности. Некоторые полагают, что эти слова помогли Хрущеву скрыть неприглядную роль его самого в кровавом «деле врачей», в немалой степени благодаря которому власть пришла в его руки. Однако переход власти в руки Хрущёва определился его победой над Лаврентием Берия. Ответственной за репрессии против врачей обществом была признана Лидия Тимашук, которая, несмотря на многочисленные попытки реабилитироваться, так и вошла в историю как знаменитая доносчица.
По словам публициста Михаила Хейфеца, Л. Ф. Тимашук, которую после завершения дела врачей считали осведомительницей МГБ и антисемиткой, длительное время писала письма в ЦК КПСС, безуспешно добиваясь реабилитации в глазах общества. В противовес сказанному Хейфецем, как отмечается в статьях профессоров Мирона Амусья и Марка Перельмана, врачи, лечившие Жданова, вовсе не были ни ретроградами, ни небрежными людьми. Оснований же для реабилитации Тимашук попросту нет.