Из дворян Орловской губернии. В 1875 году окончил математический факультет Петербургского университета. Служил в министерстве финансов. Занимал должности вице-директора департамента торговли и мануфактур, агента министерства финансов в Берлине и Вене и члена совета министра финансов. С декабря 1902 года — товарищ министра, заведующий делами торговли и промышленности.
После учреждения соответствующего министерства — первый министр торговли и промышленности (с 28 октября 1905 по 18 февраля 1906 и с 14 (27) января 1909 года по 5 (18) ноября 1909 года).
С 1906 — товарищ председателя, с 1914 — председатель Совета съездов представителей биржевой торговли и сельского хозяйства. Выбран в члены Государственного совета от промышленности и торговли (1906—1917). Один из основателей русско-английской торговой палаты и её председатель. Тимирязев был также членом и председателем совета Русского для внешней торговли банка, совета Петроградского частного коммерческого банка и правлений около 10 крупных акционерных компаний.
С 1915 — член Особого совещания по обороне.