Окончил сельскую школу. В декабре 1914 года призван в армию. В 1915 году закончил полковую и образцовую пулемётную школу и получил чин вахмистра. Участвовал в Первой мировой войне, был пулемётчиком в составе 4-й кавалерийской дивизии на Юго-Западном и Западном фронтах. Награждён за храбрость Георгиевскими крестами трёх степеней.

 С началом Великой Отечественной войны, 23 июня 1941 года, был назначен председателем Ставки Главного командования.

19 июля вместо Ставки Главного Командования во главе с Тимошенко была создана Ставка Верховного Главнокомандования 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, в связи с катастрофическим развитием событий на центральном участке советско-германского фронта (Белостокско-Минское сражение), Тимошенко был назначен командующим войсками Западного фронта (командовал фронтом 2—19 июля и 30 июля — 12 сентября 1941 года). 10 июля 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, выделив для этой цели 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 года войска Западного фронта понесли тяжёлые потери, однако проявили упорство в бою, сковали немецкие войска и не позволили им продолжить наступление на московском направлении.

13 сентября 1941 года, в ходе Киевского сражения, С. К. Тимошенко был 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 начальника 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 Тимошенко сам возглавил воссозданный Юго-Западный фронт, оборонявшийся на южном фланге советско-германского фронта. В это время основные силы фронта проводили Сумско-Харьковскую оборонительную операцию, а войска левого крыла фронта участвовали в Донбасско-Ростовской оборонительной операции. В конце ноября Тимошенко руководил Ростовской наступательной операцией советских войск. 28 ноября Ростов-на-Дону был взят, что стало одной из первых побед Красной армии в 1941 году. В декабре 1941 — январе 1942 года руководил проведением Курско-Обоянской наступательной операции.

 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 более 200 тысяч солдат и офицеров Красной армии, что послужило одной из причин будущей тяжелейшей ситуации под Сталинградом и на Кавказе. 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 провёл две наступательные операции в ходе осуществления плана «Полярная Звезда» — Демянскую операцию и Старорусскую операцию. 13 марта маршал Тимошенко был снят с поста командующего Северо-Западным фронтом.

 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-Кишинёвская и др.).