Родился 6 (18) февраля 1895 г. в селе Фурманка Аккерманского уезда Бессарабской губернии (ныне Фурмановка Килийского района Одесской области Украины), в семье украинского крестьянина Константина Гавриловича Тимошенко (ум. 1925).
Окончил сельскую школу. В декабре 1914 призван в армию. В 1915 году закончил полковую и образцовую пулемётную школу. Участвовал в Первой мировой войне, был пулемётчиком в составе 4-й кавалерийской дивизии на Юго-Западном и Западном фронтах. Награждён за храбрость Георгиевскими крестами (солдатский «Егорий») трёх степеней.
В РККА с 1918 года. Командовал взводом, эскадроном. В августе 1918 года во главе кавалерийского полка участвовал в обороне Царицына, с ноября 1918 года — командир кавалерийской бригады (с июня 1919 года — в корпусе С. М. Будённого). Член РКП(б) с 1919 года. В ноябре 1919 — августе 1920 командир 6-й, с августа 1920 по октябрь 1921 года — 4-й кавалерийской дивизии 1-й Конной армии. Был пять раз ранен, но не покидал строя. За боевые подвиги в годы Гражданской войны он был награждён тремя орденами Красного Знамени и Почётным революционным оружием.
Окончил Высшие военно-академические курсы в 1922 и 1927, курсы командиров-единоначальников при Военно-политической академии имени Н. Г. Толмачева в 1930 году. Командовал 3-м и 6-м кавалерийскими корпусами. С августа 1933 — заместитель командующего войсками Белорусского, с сентября 1935 Киевского военных округов. С июня 1937 — командующий войсками Северо-Кавказского, с сентября 1937 — Харьковского военных округов. 8 февраля 1938 присвоено звание командарм 1-го ранга и произведено назначение на должность командующего Киевским Особым военным округом. Во время Освободительного похода в Западную Украину и Западную Белоруссию 1939 года командовал Украинским фронтом. В советско-финской войне 1939—1940 годов с 7 января 1940 командовал Северо-Западным фронтом, войска которого осуществили прорыв «линии Маннергейма».
Звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» командарму 1-го ранга С. К. Тимошенко присвоено 21 марта 1940 года за «образцовое выполнение заданий командования и проявленные при этом отвагу и геройство». 7 мая 1940 года присвоено звание Маршала Советского Союза и произведено назначение на должность Народного комиссара обороны СССР
В 1940—1941 Тимошенко — народный комиссар обороны СССР (сменил на этом посту К. Е. Ворошилова). На посту наркома обороны провел большую работу по совершенствованию боевой подготовки войск, их реорганизации, техническому переоснащению, подготовки новых кадров (потребовавшихся вследствие значительного увеличения численного состава армии), которая не была полностью завершена в связи с началом Великой Отечественной войны.
С началом Великой Отечественной войны 23 июня 1941 года назначен председателем Ставки Главного командования. Однако, как вспоминал после войны адмирал флота Советского Союза Н. Г. Кузнецов,
19 июля 1941 года вместо Ставки Главного Командования во главе с Тимошенко была создана Ставка Верховного командования под началом И. В. Сталина. В этот же день Сталин сменил Тимошенко на посту наркома обороны СССР. Тимошенко остался заместителем наркома обороны СССР (был им до сентября 1941 года).
Ещё 2 июля 1941 года, в связи с катастрофическим развитием событий на центральном участке советско-германского фронта (смотри Белостокско-Минское сражение), Тимошенко назначен командующим войсками Западного фронта (был командующим фронтом 2-19 июля и 30 июля-12 сентября 1941 года). 10 июля 1941 года одновременно возглавил Главное командование войсками Западного направления (оставался главнокомандующим до упразднения Главного командования 10 сентября 1941 года). Вступив в командование Западным фронтом пытался разгромить в наступлении немецкие подвижные дивизии, для этой цели были выделены 5-й и 7-й мехкорпуса. В итоге мехкорпуса были потеряны в малоуспешном контрударе на Сенно и Лепель. В Смоленском сражении в июле—сентябре 1941 войска Западного фронта понесли тяжёлые потери, однако проявили упорство в бою, сковали немецкие войска и не позволили им продолжить наступление на московском направлении.
В ходе Киевского сражения, 13 сентября 1941 года, С. К. Тимошенко назначен главнокомандующим войсками Юго-Западного направления, сменив маршала С. М. Будённого, который настаивал на оставлении Киева. Вначале Тимошенко, следуя указаниям Ставки, требовал удерживать Киев, однако вскоре разобрался в обстановке и согласился с мнением штаба фронта (В. И. Тупикова) об оставлении Киева. Однако время было упущено, большая часть Юго-Западного фронта оказалась в окружении, управление фронта, пытаясь выйти из окружения, было разгромлено.
30 сентября 1941 года Тимошенко сам возглавил воссозданный Юго-Западный фронт, оборонявшийся на южном фланге советско-германского фронта. В конце ноября 1941 Тимошенко командовал контрнаступлением советских войск под Ростовом-на-Дону. 28 ноября город был взят, что стало одной из первых побед Красной Армии в 1941 году.
В мае 1942 года Тимошенко руководил Харьковской операцией, в результате которой крупная группировка Красной Армии потерпела сокрушительное поражение. В результате окружения под Харьковом попало в плен около 240 тысяч солдат и офицеров Красной Армии, 1249 захваченых танков, 2026 орудий(А.Уткин "Вторая Мировая война"), что послужило одной из причин будущей тяжелейшей ситуации под Сталинградом и на Кавказе. Генерал Городнянский, один из героев обороны Смоленска в 1941г. в отчаянии, видя страшное побоище своих солдат, застрелился. Сам Тимошенко остался в живых и плена избежал.
В июле 1942 года Тимошенко был назначен командующим Сталинградским фронтом.
С октября 1942 года командовал войсками Северо-Западного фронта. На этом посту провел две наступательные операции входе осуществления плана «Полярная Звезда» — Демянскую операцию и Старорусскую операцию. 13 марта маршал Тимошенко был снят с поста командующего Северо-Западным фронтом. Существует мнение, что за провал операции «Полярная Звезда» Тимошенко был подвергнут опале после чего ему больше не доверяли командование фронтами в ходе Великой Отечественной войны.
С марта 1943 до конца войны был представителем Ставки Верховного командования и осуществлял координацию действий ряда фронтов, принимал участие в разработке и проведении некоторых операций (Ясско-Кишиневская и др.).
В июле 1941 года, обсуждая с И.В. Сталиным действия Западного фронта в Смоленском сражении, Г.К. Жуков, в то время генерал армии и начальник Генерального штаба, дал высокую оценку полководческому мастерству С. К. Тимошенко:
Но в официальных документах всячески критикует его. И после войны в интервью прямо обвиняет Хрущева и Тимошенко, что они привели немцев к Сталинграду и Кавказу.
После войны командовал войсками Барановичского (с марта 1946 — Белорусского), с июня 1946 — Южно-Уральского, с марта 1949 — Белорусского военных округов. С апреля 1960 года в Группе генеральных инспекторов Министерства Обороны СССР.
Второй медалью «Золотая Звезда» маршал Советского Союза Тимошенко награждён 18 февраля 1965 за заслуги перед Родиной и Вооружёнными Силами СССР, в день своего 70-летия.
Член ЦК ВКП(б) в 1939—1952 годах, кандидат в члены ЦК КПСС в 1952—1970 годах.
Депутат Верховного Совета СССР 1?7-го созывов. Член Президиума Верховного Совета СССР в 1938—1940 годах.
В 1962—1970 годах — председатель Советского комитета ветеранов войны.
Умер 31 марта 1970 года. Похоронен на Красной площади у Кремлёвской стены.