Родился в селе Фурмановка Одесской области (Украина) в крестьянской семье. Участник Первой мировой войны. В 1915 г. окончил полковую и образцовую пулемётную школу. Сражался на Западном и Юго-Западном фронтах в составе 4-й кавалерийской дивизии. С 1918 г. в Красной Армии. При обороне Царицына командовал 1-м Крымским революционным полком, с октября 1919 г. командир 6-й кавалерийской дивизии. Участвовал в разгроме врангелевских войск и вооружённых формирований Н. И. Махно. Окончил курсы: в 1922 г. высшие военно-академические, в 1927 г. усовершенствования высшего комсостава, в 1930 г. командиров-единоначальников при Военно-политической академии. С 1925 г. командир кавалерийского корпуса. В 1939 г. командовал Украинским, с января 1940 г. — Северо-Западным фронтами, участник советско-финляндской 1939—1940 гг. С 1940 г. народный комиссар обороны СССР. В Великую Отечественную войну с июня 1941 г. в Ставке Верховного Главнокомандования, командующий войсками разных фронтов. В июле 1941 г. войска Западного фронта под командованием Тимошенко С. К. в ходе Смоленского сражения 1941 г. вели оборонительные бои на территории Беларуси в районе Витебска, Лепеля, Могилева, Рогачева и Жлобина. После войны в 1945—1946 гг. командующий войсками Барановичского, в 1946—1949 гг. — Южно-Уральского, в 1946 г. и 1949—1960 гг. — Белорусского военных округов. С апреля 1960 г. генеральный инспектор Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР и одновременно с 1961 г. председатель Советского комитета ветеранов войны. Член ЦК КПБ в 1930—1937 гг. (1949—1961 гг. Член Бюро ЦК КПБ в 1949—1960 гг. Депутат Верховного Совета БССР в 1951—1963 гг.

Похоронен у Кремлёвской стены на Красной площади в Москве.

Награждён тремя Георгиевскими крестами трех степеней, орденами: «Победа», пятью Ленина Октябрьской Революции, пятью Красного Знамени тремя Суворова I степени, медалями и иностранными: орденами.

Именем С. К. Тимошенко названа улица (1977), 1-й и 2-й переулки (2006) во Фрунзенском районе. На доме №14 установлена мемориальная доска.

В июле 1941 г. войска Западного фронта под командованием Тимошенко С. К. в ходе Смоленского сражения 1941 г. вели оборонительные бои на территории Беларуси в районе Витебска, Лепеля, Могилева, Рогачева и Жлобина.

Считался наиболее компетентным полководцем и военным теоретиком на начало Великой Отечественной войны и был председателем Ставки Главного Командования в Москве в период с 23 июня по 19 июля 1941 года. Как считает специалист по военной истории А. В. Исаев, Тимошенко, несмотря на несколько относительных неудач, был одним из выдающихся полководцев СССР в Великой Отечественной войне.

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.

18 февраля 1965 года Указом Президиума Верховного Совета СССР С. К. Тимошенко был награждён второй медалью «Золотая Звезда» Героя Советского Союза (№ 46) «За заслуги перед Родиной и Вооружёнными Силами СССР». Скорее всего, этой наградой государство отметило действительно важный вклад (по совокупности) действий маршала в июне 1941 — апреле 1942 годов, в самый психологически сложный период в истории СССР. Тимошенко, как нарком обороны, а потом заместитель верховного и командующий фронтами, тогда принял на себя первый самый опасный удар Вермахта и смог сделать всё, что можно было сделать на его месте.

Тимошенко Семен Константинович // Герои Советского Союза : краткий биографический словарь : [в 2 т.] / Министерство обороны СССР, Главное управление кадров, Институт военной истории, Центральный архив ; [А. А. Бабаков (руководитель) и др.] ; редколлегия : И. Н. Шкадов (председатель) [и др.]. — Москва : Воениздат, 1988. — Т. 2. — С. 576.

Тимошенко Семен Константинович // Их именами названы... Улицы Минска : энциклопедический справочник / [редколлегия : В. В. Андриевич (главный редактор) и др.]. — Минск : Беларуская Энцыклапедыя, 2014. — С. 392.

Тимошенко Семен Константинович // Минск : энциклопедический справочник / Белорусская Советская Энциклопедия ; [редколлегия : И. П. Шамякин (главный редактор) и др.]. — Изд. 2-е, дополненное и переработанное. — Минск : Белорусская Советская Энциклопедия, 1983. — С. 403.

Тимошенко Семен Константинович // Республика Беларусь: энциклопедия: [в 6 т.] / редколлегия : Г. П. Пашков (главный редактор [и др.]. — Минск : Беларуская энцыклапедыя, 2008. — Т. 7. — С. 222.