Климент Аркадьевич Тимирязев родился (22 мая) 3 июня 1843 года в Петербурге в дворянской семье. Первоначальное образование он получил дома. В 1866 году закончил с отличием естественный факультет Санкт-Петербургского университета.
В формировании мировоззрения Тимирязева большую роль сыграли философские взгляды А.Герцена, Н.Чернышевского, труды Д.Менделеева, И.Сеченова и особенно Ч.Дарвина. Ещё в студенческие годы Климент опубликовал ряд статей на социально-политические темы и по дарвинизму – «Гарибальди на Капрере», «Голод в Ланкашире», «Книга Дарвина, ее критики и комментаторы».
В 1868 году Тимирязев для подготовки к профессорскому званию был командирован за границу, где работал в лабораториях крупных физиков, химиков, физиологов, ботаников. Наибольшее значение для Климента имела его работа у Буссенго, которого он считал своим учителем.
Вернувшись в Россию, Тимирязев защитил магистерскую диссертацию и был назначен профессором Петровской сельскохозяйственной академии в Москве, где читал лекции по всем отделам ботаники. В этот же период Климент преподавал в Московском университете на кафедре анатомии и физиологии растений, на женских «коллективных курсах». Кроме того, был председателем ботанического отделения Общества любителей естествознания при университете.
С первых же шагов своей научной деятельности молодой ученый поставил себе две задачи: «Работать для науки и писать для народа», которые выполнял с большим успехом. Первая популярная книга Тимирязева с изложением учения Дарвина «Чарльз Дарвин и его учение», написанная в студенческие годы, до сих пор не устарела, а его книга «Жизнь растений» (1878) переиздавалась более 20 раз и вызвала огромный интерес и в России и за рубежом.
Тимирязев стал одним из основоположников русской школы физиологии растений, изучив процесс фотосинтеза, для чего им были разработаны специальные методики и аппаратура. В физиологии растений, наряду с агрохимией, ученый видел основу рационального земледелия. Он первый ввёл в России опыты с культурой растений в искусственных почвах. Первая теплица для этой цели была устроена им в Петровской академии ещё в начале 1870-х годов.
Тимирязев был одним из первых крупных русских учёных, кто приветствовал победу Октябрьской революции 1917 года. В 1920 году вышел в свет сборник его статей «Наука и демократия». Последние 10 лет своей жизни из-за болезни он не мог уже преподавать, но продолжал заниматься литературно-публицистической деятельностью, участвовал в работе Наркомпроса РСФСР и Социалистической академии общественных наук, был избран депутатом Моссовета.
Тимирязев был членом Лондонского королевского общества, почётным доктором университетов в Глазго, Кембридже и Женеве, членом-корреспондентом РАН и Эдинбургского ботанического общества, а также почётным членом многих иностранных и отечественных университетов и научных обществ. Он автор многочисленных статей, книг, биографических очерков.
Скончался великий ученый 28 апреля 1920 года в Москве. Похоронен на Ваганьковском кладбище.