Родился 6 февраля (18 февраля) 1895 г. в с. Фурманка Измаильского района Одесской обл., из крестьян, русский. В 1907 г. закончил обучение в сельской школе, в 1915 г. сдал экстерном за 3 класса городского училища.
Окончил Дивизионную партийную школу в 1924 г. и Высшие академические курсы при Военной академии им. М.В. Фрунзе в 1922 г. и в 1927 г., Курсы единоначальников при Военно-политической академии в 1930 г.
Армейскую службу начал рядовым в царской армии (июнь 1915 г. – ноябрь
1917 г.). С ноября 1917 г. по апрель 1918 г. — красногвардеец, до июня 1918 г. — командир взвода. В Советскую Армию вступил в июне 1918 г. и до августа 1918 г. был «командиром пулеметной команды и пульэскадрона», с августа по ноябрь
1918 г. — командир полка, а с ноября 1918 г. по октябрь 1919 г. — командир бригады.
С ноября 1919 г. по июль 1924 г. — командир кавалерийской дивизии, после этого по февраль 1925 г. состоял «для особо важных поручений при инспекторе кавалерии РККА», а затем по август 1933 г. командовал кавалерийским корпусом.
Маршал Советского Союза Тухачевский М.Н., аттестуя в 1925 г. командира 3-го кавалерийского корпуса Тимошенко С.К., писал, что он "...один из основных, из лучших командиров конницы. Обладая высокими качествами рубаки, в то же время непрерывно изучает военное дело и вопросы военной техники. Прекрасно понимает роль конницы".
В 1932 г. командующий войсками Белорусского военного округа Уборевич И.П. так писал в аттестации С.К. Тимошенко:
"1. Лично учился этот год много и успешно.
2. Нужно продолжать личную оперативную подготовку.
3. Исключительно опытный организатор боевой подготовки конницы. Овладевает успешно вопросами механизации и артиллерии.
4. Много положил трудов, чтобы 3-й кав. корпус занял первое место по подготовке.
5. Весьма дисциплинирован.
6. Достоин выдвижения вне очереди по должности Помкомвойск или инспектора кавалерии РККА".
С августа 1933 г. С.К. Тимошенко — заместитель командующего Белорусским и Киевским военными округами, с июня 1937 г. — по май 1940 г. он командует Северо-Кавказским, Харьковским и Киевским Особым военными округами. С мая 1940 г. по июль 1941 г. — народный комиссар обороны СССР.
В годы Великой Отечественной войны — заместитель народного комиссара обороны СССР, Главнокомандующий Западным направлением, командующий войсками Западного фронта (июль 1941 г. — октябрь 1941 г.), командующий войсками Юго-Западного фронта (октябрь—декабрь 1941 г.), Главнокомандующий Юго-Западным направлением (декабрь 1941 г. — апрель 1942 г.), командующий Юго-Западным фронтом (апрель—июль 1942 г.), находился в распоряжении Ставки Верховного Главнокомандования (июль—октябрь 1942 г.), командующий войсками Северо-Западного фронта (октябрь 1942 г. — март 1943 г.), затем до июля 1945 г. был представителем Ставки Верховного Главнокомандования на ряде фронтов.
После войны — командующий войсками Барановического военного округа (июль 1945 г. — март 1946 г.), Белорусского военного округа (март—июнь 1946 г.), Южно-Уральского военного округа (июнь1946 г. — март 1949 г.), Белорусского военного округа (март 1949 г. — апрель 1960 г.). С апреля 1960 г. по 31 марта 1970 г. — генеральный инспектор Министерства обороны СССР.
С.К. Тимошенко дважды присвоено звание Героя Советского Союза (21.03.1940 г., 18.02.1965 г.). Он награжден 5 орденами Ленина (22.02.1938 г., 21.03.1940 г., 21.02.1945 г., 18.02.1955 г., 18.02.1970 г.), орденом Октябрьской Революции (22.02.1968 г.), 5 орденами Красного Знамени (25.07.1920 г., 11.05.1921 г., 22.02.1930 г., 3.11.1944 г., 6.11.1947 г.), 3 орденами Суворова I степени (9.10.1943 г., 12.09.1944 г., 27.04.1945 г.), Почетным революционным оружием — шашкой (28.11.1920 г.), Почетным оружием с золотым изображением Государственного герба СССР (22.02.1968 г.), а также 13 медалями СССР и 2 иностранными орденами. Удостоен ордена "Победа" (4.06.1945 г.).
Воинские звания: командарм 1 ранга — присвоено 8 февраля 1939 г., Маршал Советского Союза — 7 мая 1940 г.
Член КПСС с 1919 г., член ЦК КПСС в 1939—1952 г г., член Президиума Верховного Совета СССР в 1938—1940 гг., депутат Верховного Совета СССР 1 — 7-го созывов.
Умер С.К. Тимошенко 31 марта 1970 г. Похоронен на Красной площади в Москве.