Своё имя великий русский учёный получил в честь деда-барона, Клеменса Филиппа Иосифа Боде, известного в России как Климентий Карлович. Его дочь, Аделаида Боде, вышла замуж за представителя старинного рода Тимирязевых. В браке у них родилось четверо сыновей: Николай, Дмитрий, Василий и младший — Климент.

Жили небогато: отец семейства, Аркадий Семёнович, был известным вольнодумом, да и не слишком заботился о деньгах. При этом мальчик получил прекрасное домашнее образование: Аделаида Клементьевна в совершенстве владела английским, французским и немецким языками, что и передала своим сыновьям. Так вспоминал о семейных традициях Тимирязевых двоюродный брат Климента, Фёдор:

В конце концов, своенравного Аркадия Семёновича сократили на службе, и уже с 15 лет Климент начал зарабатывать переводами. Тогда он гордился, что помогает семье и «не сидит на горбу у тёмных тружеников, как купеческие сынки».

После сдачи экзаменов в Петербургский университет Климент и его брат Василий пошли, по просьбе отца, на камеральный факультет (сегодня мы бы назвали его факультетом госуправления), а затем Климент перешёл на естественное отделение физико-математического, а Василий — на юридический факультет. Но уже через полгода, не подписав отказ от участия в общественных беспорядках, братья были исключены из университета. Принципиальность и, как он сам отмечал, «самолюбие» в подобных вопросах, перенятые от отца, ещё не раз принесут Тимирязеву проблемы. Через год он продолжил обучение, уже вольнослушателем.

После окончания университета Тимирязев под руководством Дмитрия Ивановича Менделеева назначен ответственным за проведение опытов с удобрениями в Симбирской губернии. Здесь же начинающий учёный по своей инициативе ставит первые опыты по фотосинтезу и публикует первый научный труд — «Прибор для исследования разложения углекислоты». Затем Тимирязева командируют за границу, где следующие два года он работает под руководством выдающихся европейских учёных. По результатам поездки в России он защищает магистерскую диссертацию, а затем и докторскую.

Возвращается Климент Аркадьевич уже в Москву и начинает преподавать в Петровской сельскохозяйственной и лесной академии, а затем — параллельно — и в Московском университете.

Студенты Тимирязева любили. Свои лекции он обязательно сопровождал показом наглядных, тщательно подготовленных экспериментов. Вот что писал о нём Борис Бугаев, студент естественного отделения физико-математического факультета Московского университета, он же — поэт Андрей Белый:

Особенно ценными для многих студентов были внеклассные встречи с профессором: Тимирязев поддерживал дискуссии не только о науке, но и о культуре и политике. Так вспоминал один из его учеников, студент Петровской академии, будущий писатель Владимир Короленко:

В 1893 году был распущен преподавательский состав Петровской сельскохозяйственной и лесной академии, и после реформации института Тимирязев уже не вернулся. А за шесть лет до революции он покинул Московский университет вместе со 130 коллегами: так учёные выразили протест тогдашнему министру просвещения.

Ещё в конце XVIII века учёные выяснили, что растения выделяют кислород и для этого им необходим солнечный свет. В 1842 году немецкий естествоиспытатель Роберт Майер предположил, что «живая сила» луча при этом превращается в химическое напряжение образующихся в растении органических веществ. Через несколько лет этот процесс был назван фотосинтезом. Однако физическая, а главное — химическая его сторона, оставались малоизученными. Так Тимирязев сформулировал для себя задачу в самом начале своего исследовательского пути:

Работы по изучению фотосинтеза принесли ему мировую известность. Именно Тимирязев понял, что хлорофилл, придающий растениям зелёную окраску, не только физически, но и химически участвует в фотосинтезе, и одним из первых стал изучать состав пигмента. Он подробно разобрал, каким образом растения усваивают свет, и как на это влияют его яркость и спектр (то есть цвет луча).

Итог же своей тридцатипятилетней работе в этом направлении он подвёл в Лондоне, получив престижную награду — право прочесть крунианскую лекцию в Королевском обществе. «Космическая роль растения» — так Климент Аркадьевич сформулировал значимость фотосинтеза в изучении глобальной проблемы энергетических превращений в живой природе. Проще говоря, он первый заговорил о той роли, которую зелёные растения играют в передаче солнечной энергии всей нашей планете: помимо кислорода, необходимого для дыхания, они создают первичное органическое вещество, необходимое для жизнедеятельности всех известных форм жизни на Земле.

Помимо фундаментальных исследований, Тимирязев активно занимался их прикладным применением: внедрением научных подходов в сельское хозяйство для повышения урожайности и производительности труда рабочих. Он составлял рекомендации по организации освещения и питания растений, а также для выведения новых засухоустойчивых сортов. Кроме того, Тимирязев построил уникальную теплицу, в которой демонстрировал опыты по выращиванию растений в искусственной почве с добавлением минеральных подкормок на XVI Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде.

Климент Аркадьевич Тимирязев встретил свою будущую жену на ступенях храма Апостолов Петра и Павла в Петровско-Разумовском. Через три года у тогда ещё не расписанной пары родился единственный и обожаемый сын, Аркадий.

Со временем отца и сына сблизило и общее хобби — фотография. Климент Аркадьевич снимал в основном пейзажи, постоянно совершенствовал приёмы и конструировал дополнительные приборы, а также писал для журналов «Фотограф» и «Фотографическое обозрение». Каково же было его удивление, когда у Аркадия, несмотря на его малый возраст, получилось фотографировать не хуже, чем у его учителя. Тимирязевы даже получили серебряную медаль на фотоконкурсе в рамках всё той же нижегородской выставки.

Среди представителей московской профессуры Тимирязев был едва ли не единственным учёным с мировым именем, кто приветствовал большевиков и признал советскую власть. В фильме «Депутат Балтики», вышедшем на экраны спустя 16 лет после его смерти, Тимирязев стал прототипом главного героя, профессора Полежаева. Тот читает лекции матросам, конфликтует с коллегами, отбивается от клейма немецкого шпиона («Профессор Королевского Общества продался большевикам! Не пейте сырой воды, вода отравленная!» — звонко кричит в фильме мальчик-газетчик), избирается депутатом от моряков Балтийского флота. Климент Аркадьевич и правда стал депутатом, но Московского городского совета. На заседаниях он, помимо прочего, выступал с идеями по выращиванию овощей прямо в городских дворах, чтобы жители столицы смогли пережить голодное время.

Тимирязев стремился к тому, чтобы наука всегда отзывалась на нужды народа, и именно голод он считал главным вызовом своего времени. Он много выступал с лекциями о том, как преодолевать засуху, издавал эти лекции в виде популярных книг и доход от них передавал в пользу голодающих. Он встретил революцию с надеждой — на то, что хотя бы эту человеческую беду теперь получится искоренить.

В 1920 году после заседания сельскохозяйственной секции Моссовета он возвращался домой в открытом автомобиле и простудился. Через несколько дней, 28 апреля, Климент Аркадьевич Тимирязев умер от воспаления легких. Он похоронен на 13-м участке Ваганьковского кладбища.